2018 Fiscal Year Annual Research Report
Experiment and Plesset-type analysis of cavitation bubble dynamics in viscoelastic materials
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17H04905
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
安藤 景太 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 講師 (30639018)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 流体工学 / 熱工学 / 混相流 / 気泡力学 / 非ニュートン |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題（３年計画）では，粘弾性体におけるキャビテーション気泡の静的・動的力学特性を定量評価するための，実験・プリセット型気泡力学モデル連成による粘弾性計測法の開発を行う．パルスレーザ集束照射により生成した粘弾性ゼラチンゲル中の球形ガス気泡核のサイズを，溶存ガスの物質移動を利用し準静的に制御する．生成した気泡核を起点とするキャビテーション気泡の自由振動および超音波照射下の強制振動を高速度カメラで撮影し，気泡の動的応答に対する気泡核サイズの影響を特定する．気泡の静的・動的力学応答とプリセット型モデルの比較により，ゲル粘弾性の周波数応答を超広域に算定し，キャビテーション気泡の力学に対する粘弾性効果の定量評価を実現する．
平成３０年度（３年計画の２年目）では，ゼラチンゲルにおけるパルスレーザ誘起ガス気泡の自由振動の可視化，さらに理論との比較から気泡力学に対するゲル弾性の効果を定量評価した．
レーザ誘起プラズマにより生成したゼラチンゲル中の球形ガス気泡の自由振動を，パルスレーザ光源と（研究１年目に購入した）高速度カメラ（最高1千万コマ/秒で撮影可）により撮影した．気泡の崩壊時間は，崩壊時に放射される衝撃圧力波のハイドロフォン計測に基づき定義した．ゼラチン濃度をパラメータとして，以上の可視化および圧力計測を行った．取得された実験データを，線形・非線形弾性体中の球形気泡の力学を記述する拡張レイリー・プリセットの式から導出されるレイリー崩壊時間と実験を比較した．実験と理論の比較から，ゼラチン濃度の上昇（すなわち弾性の増大）による気泡崩壊時間の短縮化が明らかになった．
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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
代表研究者は，平成２５年度から平成２８年度の科研費（若手研究(A)）の採択課題「粘弾性体キャビテーションの時空間多重スケール解析を実現する非侵襲ハイブリッド計測」において，高粘性流体・粘弾性体中のレーザー誘起衝撃波の可視化技術を構築しており，そのノウハウを本研究課題に適用することで，おおむね計画どおり研究が進捗している．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成３１年度（３年計画の３年目）では，超音波照射下のゼラチンゲル中の球形気泡の強制振動に対し，プリセット型解析を適用し，高ひずみせん断下のゲル粘弾性の特定を目指す．
本年度購入予定の水中超音波洗浄槽内に，パルスレーザー誘起減少により生成した球形ガス気泡核を含むゼゲル試料を設置する．前年度までに構築した光学系を用いて，気泡の強制振動を高速度撮影する．気泡核の平衡半径をパラメータとする実験を行い，微小振幅・有限振幅形振動の周波数応答を取得する．（微小振幅の）線形振動の周波数応答を，線形粘弾性体気泡に対する拡張レイリー・プリセットの式の線形解と比較することにより，ゲル粘弾性を算定する．さらに，（有限振幅の）非線形振動の時間履歴を，拡張レイリー・プリセットの式の数値解と比較することにより，気泡力学に対する非線形弾性の効果を評価する．
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