2015 Fiscal Year Research-status Report
| Project/Area Number |
15K17977
|
|---|
| Research Institution | Kogakuin University |
|---|
Principal Investigator |
長谷川 浩司 工学院大学, 工学部, 助教 (90647918)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
|
| Keywords | 音場浮遊法 / 液滴 / 非線形ダイナミクス / 並進運動 / 非接触流体制御 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
近年、分析化学分野や生物・医学分野、さらには燃焼科学分野をはじめとした幅広い分野において、非接触流体制御技術が注目されている。特に、非接触流体制御技術の1つである超音波浮遊法は、容器壁面からの汚染の影響を抑制することや流体次第では人体への危険を回避することが可能であるというメリットに加え、静電浮遊法や電磁浮遊法などのその他の浮遊法と比較した場合に、制御対象流体に制約がないことから積極的な活用が望まれている。しかしながら、申請者による強力超音波による液滴浮遊実験により、浮遊液滴には、回転や振動、さらには分裂・微粒化に加え、大変形を伴う界面変形や内外部流動など、非線形でダイナミックな挙動が発生することが明らかとなっている。このような浮遊液滴の非線形ダイナミクスが非接触流体制御の安定性に及ぼす影響については、理論的や解析的な知見は拡充されてきたものの、実験技術上の困難が主な理由となって、実験的知見が乏しいのが現状である。
本研究では、超音波浮遊液滴の非定常並進運動に関する定量的実験情報を収集し、かつその制御を試みることで非接触流体制御技術の基礎の確立に資する実験的知見を拡充することができた。既存の実験装置に独自の改良を施すことで、水液滴に生じるミリメートルオーダーの振幅を有する非定常並進振動を抑制し、数十マイクロメートルオーダーでの非接触制御を実現ことに加え、高精度な非接触流体技術を拡張するため、浮遊させる流体物性の影響を把握した。具体的には、過年度に使用実績のある純水に加え、エタノール（表面張力の影響）、グリセリン（粘性の影響）およびそれら流体の水溶液を用いて、流体物性が浮遊安定性に及ぼす影響を特定した。高速度カメラによって取得した浮遊液滴の非定常並進運動に対して周波数解析を施すことで、固有振動数を特定することができた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
音場浮遊法を用いた高精度な非接触流体技術を拡張するため、浮遊させる流体物性の影響を実験的に把握した。具体的には、過年度に使用実績のある純水に加え、エタノール（表面張力の影響）、グリセリン（粘性の影響）およびそれら流体の水溶液を用いて、流体物性が浮遊安定性に及ぼす影響を特定した。高速度カメラによって取得した浮遊液滴の非定常並進運動に対して周波数解析を施すことで、固有振動数を特定することができた。次年度に予定していた、得られた液滴の動的挙動および液滴周囲の音圧分布情報を基に、非定常並進運動を機構論的にモデル化するための具体的検討も開始している。
|
| Strategy for Future Research Activity |
今年度実施した浮遊液滴の非定常並進運動に対する周波数解析の結果を基に、バネ-マス系の振動を仮定し、並進運動の定式化を試みる。従来通りの調和振動のみでは非線形音響場での液滴の挙動を記述することは困難であることが予想されるため、条件に応じた非線形項を導入することで実用的な予測式の構築を試みる。
加えて、特定条件において、浮遊液滴の界面には発生する微粒化現象の素過程を明らかにすることを目指す。具体的には、液滴界面近傍に対して、高空間分解能、高時間分解能下での詳細可視化計測を実施し、非線形かつダイナミックな浮遊液滴の微粒化挙動に関する定量的実験情報の収集、および微粒化発生条件を特定し、安定制御範囲の同定を試みる。
|
| Causes of Carryover |
研究推進状況を踏まえ、次年度に新規物品購入を集中させた方が効果的な研究費用の使用が可能であると考えたためである。具体的には、過年度に使用実績のある純水に加え、エタノール（表面張力の影響）、グリセリン（粘性の影響）およびそれら流体の水溶液を用いて、流体物性が浮遊安定性に及ぼす影響を特定に集中したため当該年度に新規物品購入をせずとも当初計画以上の進展が見られた。
|
| Expenditure Plan for Carryover Budget |
当該年度の結果を基に、次年度以降には液滴の動的挙動を解析するための専用アプリケーション購入を検討し、得られた結果から液滴の動的挙動のモデリングを行う。併せて、当初計画以上の進展が見られているため、使用流体を拡張・新規購入し、より広範囲な実験条件で流体物性が浮遊液滴の安定性に及ぼす影響を調べることを計画している。
|
