2017 Fiscal Year Annual Research Report
Two distinct mechanism for the shear thickening of a dilatant fluid
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15K05223
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| Research Institution | Sendai National College of Technology |
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Principal Investigator |
永弘 進一郎 仙台高等専門学校, 総合工学科, 准教授 (20419154)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中西 秀 九州大学, 理学研究院, 教授 (90155771)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | ダイラタント流体 / ラプラス圧 / ずり粘稠化 / 負圧 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイラタント流体のずり粘稠化のメカニズムは、粉体のレイノルズ膨張によって発生する間隙流体の負圧を原因とする説と、懸濁液内の粒子間の摩擦によるジャミングを原因とする説がある。本研究では、ダイラタント流体内において、これら二つのメカニズムが同時にそれぞれ生じているという視座にたち、実験と数値モデルを用いたシミュレーションの双方から研究を行なった。
テイラー・クウェット流れに対して行なった３次元のシミュレーションによって、流れの内部の粘度と圧力の分布を調べたところ、流体が一様に粘稠化する状態は不安定で、粘稠化領域が極めて強く局在化する傾向があることが示唆された。さらにその粘稠領域は外力によって伸張する方向と圧縮される方向の２種類があることがわかった。その内部の圧力は、それぞれ負圧・正圧をもつ。
このシミュレーション結果を確かめるために、ダイラタント流体のテイラー・クウェット流れ測定する装置を独自に作製し、実験を行なった。容器内壁での圧力を測定すると、１．圧力がその平均値から大きく変動している領域は局在化し、流れとともに移動していること。２．圧力の値は平均値をゼロとして、正圧と負圧のそれぞれに別れること。３．正圧は、流れを駆動する外力に比例するが、負圧は外力に依存しない一定の最小値が存在すること。が明らかになった。
これら実験の結果は、シミュレーションと整合するだけでなく、ダイラタント流体の粘化メカニズムに対して、新たな知見を与える。つまり正圧の粘稠化領域は粒子間摩擦によるジャミングにとって発生していること。負圧の最小値が、粒子径を特徴的な長さとした時のラプラス圧に一致することから、負圧をもつ粘稠化領域においては間隙流体の表面張力が重要な役割を果たしていることがわかる。
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