2017 Fiscal Year Research-status Report
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16K06100
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| Research Institution | Tsuyama National College of Technology |
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Principal Investigator |
細谷 和範 津山工業高等専門学校, その他部局等, 准教授 (60509107)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
竹内 一裕 独立行政法人国立病院機構岡山医療センター(臨床研究部), 独立行政法人国立病院機構 岡山医療センター(臨床研究部), リハビリテーション科医長 (30304306)
小野 敦 川崎医療福祉大学, 医療技術学部, 教授 (20804743)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 流れの可視化 / 核磁気共鳴画像 / フローファントム / 円筒バルブ流れ / 管内流 / 流体機械 / Time-SLIP法 / 動態イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年までに開発されたフローファントムシステムを用いて，工業製品や生体内の流れを模した流動モデルの可視化実験を行った．フローファントムシステムは多様な流れ場を限られた時間内に撮像するために着脱式の流路ファントムを装着可能であり，低Re数の定常流と往復流を与えることができる．撮像に使用したMRIは観察したい流体塊にタグパルスを当てて時間分解撮影を行う2D-Time SLIP法を利用した．
本研究は流れを非接触に把握することが難しい工業製品，たとえばケース内で激しく攪拌される潤滑油の動きを模した流れ場やバルブを過ぎる流れ，流れや外力によって変形する弾性体内の流動などをモデル化した試験水路を時間分解撮影が可能なMRIで撮像し，将来の流体機械の設計に資するツールとしての可能性を把握することにある．対象となる流れ場のモデルは極力シンプルなものとし，PIVやCFDとの比較が可能なものとした．対象とする流れ場は①弾性管内を流れる定常流場と往復流場，②プロペラにより攪拌される流れ，③円筒バルブを過ぎる流れ，④気泡を含む混相流場，⑤熱交換器まわりの流れ，⑥翼素まわりの流れ，⑦噴流とした．MRIによるこれらの流れの動態イメージングが可能な範囲や可視化画像の特徴が整理できれば将来，複雑に入り組んだ流路を持つ流体機械の設計に活用することができる可能性がある．3D-CADで設計された図面をもとに3Dプリンタで形成された樹脂モデルの流動をMRIを用いて可視化することでCFDに並ぶ強力な設計援用ツールとなりうる．
なお流体機械内部で生じる流れ場は人体内で発生する流れ場と共通するものもあり，本年度は2名の研究分担者を追加して脳脊髄液（CSF)の流れを模擬した二重円管構造のファントムを試作して流動の観察を行い，医療分野におけるフローファントムシステムの活用を模索した．
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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
本年度は屈曲管，翼素などの物体まわりの流れの他，混層流場を可視化した．撮像に使用したMRIは観察したい流体塊にタグパルスを当てて時間分解撮影を行う2D-Time SLIP法を利用した．多様な流れ場を限られた時間内に撮像するために着脱式の流路ファントムを装着可能で低Re数の定常流と往復流を与えることができるシステムを製作した．着脱式ファントムは昨年度試験した同心・偏心二重円管の他に，円筒バルブを模した流れ場や二次元翼，エルボ管を用意し，流量5 ㏄/s程度（Re数200程度）の定常流場と周期2秒の往復流場内での水塊の動きをMRIで撮像した．定常流中における撮像画像は管内流の特徴をよく表しており，2次元の数値計算結果やPIV測定結果と矛盾しない．しかしながらエルボ管では画像の乱れが生じた（現段階ではこの原因の特定できていない）ほか，翼周りの流れについても不十分な撮像となった．往復流場については単純な管内流では移動する水塊の様子が明瞭に撮像できたが，円筒バルブを過ぎる流れ場や流路内に凸部を有する流れ場では流れの乱れによりMRI撮像された水塊は白黒のまだらな濃淡パターンとなった．この画像から流速場を伺い知ることはできないが，流路内で乱れが発生しやすい場所を定性的に把握するツールとしての活用できる可能性がある．混相流場として，空圧を利用した回転プロペラでビーカー内の水溶液を攪拌して流れの様子を撮像したが十分な撮像ができなかった．一方で熱交換器内を想定した実験では配管回りの温度差が明瞭に識別できた．
また本年度より二人の研究分担者が加わりMRI撮像結果評価やファントムシステムを拡張して脳脊髄液（CSF）の流れを対象とするファントムの開発に着手した．二重管ファントムをベースとして柔軟素材で作られたファントムは今後改良が必要なもののCSFの大雑把な動態研究に活用できる可能性があることを確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度となる本年度は，これまでに可視化した流れ場の観察結果をとりまとめて整理し，論文等にまとめて公開することに併せて，これまでに十分な可視化が行えなかった流れ場の撮像に取り組む．
これまでは層流場や低Re数領域の流れを対象に実験を行い，それぞれの流れにおける動態イメージングの特徴がある程度把握できたが，流れの三次元構造の把握はできていなかったことから多層撮像によるらせん状に旋回する管内流の動態イメージングに取り組む．また本年度はMRIを用いた乱流場の可視化に取り組む．対象となる流れ場としては物体後流のカルマン渦や流体ダイオードを計画している．
以上の知見を応用し，流体機械と共通する流れ場を持つ人体内の脳脊髄液の流れをモデルとした流動ファントムの開発と撮像試験を行い，シンプルな流動ファントムによる流動イメージングの医療分野での活用の可能性を調べる．
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| Causes of Carryover |
英文誌（査読付）への論文投稿を行っていたが，掲載時期が2018年度にずれ込んだため，次年度使用額が発生した．
使用計画として，英文誌への投稿（2018年5月15日時点で掲載が決定した）にかかる査読並びに英文校閲費に使用したい．
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