2017 Fiscal Year Annual Research Report
A Fundamental Study on analysis of pore structure of porous media and elucidation of generation mechanism of turbulence based on the analysis
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16H04421
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
重松 孝昌 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (80206086)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
中條 壮大 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 講師 (20590871)
麓 隆行 近畿大学, 理工学部, 准教授 (30315981)
竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 教授 (50216933)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 流体力学 / 多孔質体 / Immersed Boundary Method / PTV / 3次元計測 / 屈折率整合法 / 乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
多孔質体を通過する流体の運動は，その空隙の形状に大きく依存すると推察される．昨年度に行ったポーラスコンクリートを対象とした空隙画像計測の結果に基づいて，空隙の水平断面の形状を計測し，ポーラスコンクリートに用いられる粗骨材粒径との関係を論文にとりまとめた．また，予定していた形状計測オプションを購入し，計測パラメーターのチューニングをはかりつつ，空隙形状の計測を試験的に行った．
多孔質体を構成する固体の形状特性による流れへの影響を検討するため，矩形管水路中に設置した単一円柱，単一楕円体，単一球周りの一方向流れ場をPTV計測を行い，乱流特性について検討を行った．本実験によれば，物体背後に形成される後流域中の乱れ特性には，顕著な物体の形状依存性は見られないことが明らかになった．ただし，レイノルズ数の影響および後流域スケールと計測解像度の観点から，更なる検討が必要である状況にある．
多孔質内の3次元流れ場を計測するためには，高精度で計測可能なシステムが必要である．本年度は，竹原が既に開発していたPTVアルゴリズムの3次元化をはかり，画像流速計測法の高精度化・高速度化を図った．改良したPTVアルゴリズムの検証として，X線CTで撮影されたコンクリート供試体内の応力ひずみ計測に適用し，良好な結果を得た．
複雑な境界条件を有する多孔質体間隙部の流れを予測するための数値解析手法の開発には，Immersed Boundary Method（IB法）を適用している．本年度は，IB法を用いて多孔質体流れの計算に適用し，巨視的な圧力降下量や部材の抗力係数の評価が可能であることを示した．さらに，気液界面の追跡モジュールを追加し，固気液混相流場にも適用することが可能となった．また，平板のような厚みのない物体への適用性についても検討を行っている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究は，3本の柱から構成されている．
まず，「(1)多孔質体間隙構造の定量化」については，昨年度に行った多孔質体九九劇形状の3次元計測の結果に基づいて，空隙の平面形状についての検討を行い，多孔質体構成部材寸法と空隙形状との関係について検討を行った．
次に，「(2)多孔質体通過流体の流動計測」については，竹原が既に開発していたPTVアルゴリズムの3次元化をはかり，画像流速計測法の高精度化・高速度化を図った．改良したPTVアルゴリズムの検証は，X線CTで撮影されたコンクリート供試体内の応力ひずみ計測に適用し，実験結果との良好な一致を得るに至っている．多孔質体間隙部を通過する流体運動の計測に先立って，非球形物体周りの流れによって生じる乱れ特性についてPTV計測を行った．0.2mx0.2mの矩形水路中に静止浮遊させた単一球・単一楕円体・単一円柱周りの流れ計測を行った結果，それぞれの物体の背後に生じる乱れ特性に大きな差異は見られなかった．ただし，今後，レイノルズ数や物体静止姿勢による検討が必要である．
「(3)多孔質体通過流体の流動計算」においては，IB法を用いて，球形部材で構成される多孔質体中の数個の部材を人為的に欠落させて非均一な多孔質体を作成し，部材欠損が多孔質体間隙を流れる流体運動に及ぼす影響を検討した．その結果，部材が欠損することによって間隙の形状・寸法が大きく異なる多孔質体においては巨視的モデルを適用することが難しいこと，欠損箇所によって圧力降下量や部材に作用する流体力も異なることを示すに至っている．研究代表者らによる従来の多孔質体流れの検討は，管水路内の現象に限定されたものであるが，このような知見の汎用性の検討には水面を有する流れへの適用性への検討も不可欠である．このような観点から，自由水面の追跡アルゴリズムを追加し，その汎用性を向上させるに至っている．
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| Strategy for Future Research Activity |
「(1)多孔質体間隙構造の定量化」については，予定していた形状計測オプションを購入して試験的にパラメーターを変更して多孔質体空隙形状の計測を行った．しかし，当該年度で十分な精度での計測結果を得るには至っていない．引き続き，計測手法の検討を行う．
「(2)多孔質体通過流体の流動計測」については，まず，3Dプリンタを用いて作成された実際の多孔質体内の流動計測について，ヨウ化ナトリウム水溶液を利用して3次元流速計測実験を行う．この多孔質体内流動の特徴と間隙形状の局所特性との関係について検討し，平行して行われる数値解析から得られる理想化された多孔質体通過流れとの比較を行う．一方で，非球形物体周りの流れの計測もH29年度に引き続き行い，物体形状・静止姿勢と乱れとの関係性について検討を行う．
「(3)多孔質体通過流体の流動計算」においては，上記の実際の多孔質体構成部材と透過な粒径を持つ球部材で構成される多孔質体を数値計算上で再現し，IB法を用いて，この間隙部を通過する流れの計算を行い，上記(2)で行う実験結果との比較を行う．さらに，非球形部材で構成される多孔質体についても計算を行い，部材形状による間隙を通過する流れの特性について比較・検討を行う．
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[Journal Article] 100 Mfps image sensor for biological applications2018
Author(s)
T. Goji Etoh, Kazuhiro Shimonomura, Anh Quang Nguyen, Kosei Takehara, Yoshinari Kamakura, Paul Goetschalckx, Luc Haspeslagh, Piet De Moor, Vu Truong Son Dao, Hoang Dung Nguyen, Naoki Hayashi, Yo Mitsui, Hideo Inumaru
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Journal Title
Proceedings of SPIE, High-Speed Biomedical Imaging and Spectroscopy III
Volume: 10505
Pages: 10505-10506
DOI
Peer Reviewed
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