走化性バクテリアによる生物対流と熱対流の干渉および輸送特性に関する数値解析

2015 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K05780
• Research Institution: Iwate University
• Principal Investigator: 柳岡 英樹 岩手大学, 工学部, 教授 (40281951)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 末永 陽介 岩手大学, 工学部, 助教 (60413720)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 生物対流 / 熱対流 / バクテリア / 酸素 / 走化性

Outline of Annual Research Achievements

本研究では，酸素に反応する走化性バクテリアが入った懸濁液に温度勾配を加えたときの生物対流と熱対流の干渉を調査し，その干渉がバクテリアと酸素の輸送特性に及ぼす影響を明らかにし，さらに輸送を制御する方法を提案することを目的とする．
平成27年度では，温度勾配が存在する懸濁液中に生成される生物対流に関して三次元数値解析を行い，下壁面からの加熱が生物対流の変化やバクテリアと酸素の輸送特性に及ぼす影響を調査した．計算において，対象とする容器は浅く，懸濁液中には酸素に反応する走化性バクテリア（枯草菌など）が存在している．水面から酸素が一様に供給されるため，酸素が豊富な水面へ向かってバクテリアが移動する．空気を一様温度に保ち，下壁面を加熱することにより，生物対流と熱対流を発生させる．本研究の最終目的は，生物対流と輸送特性を熱によって制御することであるが，バクテリア濃度や加熱条件が生物対流に及ぼす影響が不明であるため，先ずは基本的な流動特性を明らかにした．得られた知見は以下のとおりである．
1. 安定な懸濁液を下壁面から加熱すると，懸濁液の不安定性が強まることにより生物対流が発生し，領域内に複数の三次元的なプルームが形成される．
2. 下壁面から加熱すると，懸濁液の不安定性が強まるため，プルームの成長が促進され，下壁面に向かって伸長する．温度勾配の増加とともに，領域内に形成されるプルームの数が増加する．さらに加熱を強めると，プルームが消失し，サーマルプルームが形成され，熱対流が支配的な場に変化する．
3. 生物対流と熱対流が共存している場合，プルーム中心とプルーム間の下降流と上昇流の速度が増加する．このとき，対流によるバクテリアと酸素の輸送が向上するため，懸濁液全体におけるバクテリアと酸素の輸送特性が向上する．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

平成27年度の研究は，申請書の計画通りに進んでいる．最初に，既に構築した生物対流計算コードと，熱対流計算コードを組み合わせ，本研究用の計算コードを作成した．次に，バクテリアが生息できる程度の微小な温度差を懸濁液に加え，生物対流と熱対流の発生を確認した．さらに，生物対流が発生している状態と発生していない状態に，熱を付加したときの熱対流と生物対流の干渉の違いを明らかにした．

Strategy for Future Research Activity

平成28年度では，バクテリアと酸素の輸送特性を明らかにするため，熱の付加がプルーム同士の干渉に及ぼす影響を調査する．プルーム同士の干渉には生物対流パターンが大きく影響するので，多様な生物対流パターンも発生させる．解析手順は以下の通りである．
1. 申請者のこれまでの研究から，生物対流パターンはバクテリアの初期濃度によって変化することが明らかになっている．先ずは，１つのパターンに着目し，温度差を変化させたときのプルーム同士の干渉の変化を明らかにする．
2. 次に，温度差を固定し，バクテリアの初期濃度に様々な乱れを加え，波長が異なる多様な生物対流パターンを発生させ，パターンの波長による輸送特性の変化を明らかにする．