2018 Fiscal Year Annual Research Report

砂山を用いた粉体の流動化メカニズム理解への相転移的アプローチ

Research Project

Project/Area Number	17J05552
Research Institution	Nagoya University
Principal Investigator	辻大輔名古屋大学, 環境学研究科, 特別研究員(DC1)
Project Period (FY)	2017-04-26 – 2020-03-31
Keywords	粉体物理 / 非線形拡散輸送 / 離散要素法
Outline of Annual Research Achievements	振動により駆動する粉体流の速度構造を明らかにした。昨年度に我々が提唱した輸送モデルでは、流動化した粉体層の深さ平均速度を実験条件に依存しない定数Cを用いて記述することが可能であった。この定数Cは物理的には加えられた振動エネルギーが粉体の輸送エネルギーに変換される割合を意味する。しかしながら、この輸送モデルでは粉体層内部で運動する粒子の速度構造までは説明することができなかった。これらの粒子スケールのデータは室内実験では計測することが技術的に困難である。そこで我々は離散要素法（DEM）を用いた数値計算により同様の実験を再現し、粉体層内部における粒子の運動の解析を試みた。その結果、振動によって駆動される粉体粒子の速度は表面から深くなるにつれて指数関数的に減衰することが分かった。この指数関数的な減衰を示す速度構造を深さ方向の全層厚分に対して積分すると深さ平均輸送速度が導出でき、これは昨年度に提唱した輸送モデルより予想されていたものと一致することが確認できた。これは、DEMによる実験データの再現性の高さを改めて支持する結果である。さらに注目すべきなのは、速度構造が指数関数で記述できるので特徴的な流動層（以後、「シアバンド」と呼ぶ）の厚さが定義できる点である。このシアバンドの厚さは粉体層の高さに比例して大きくなり、粉体層の至る所で速度構造が相似であることがDEMの結果より明らかになった。これは非振動系で一般的に観測されている粉体流の性質とは大きく異なる。例えば、非振動系で安息角を超えて重力駆動で流れ出す粉体流の場合、シアバンドの層厚は砂山の高さに関わらず一定であることが様々な論文で報告されている。このようなシアバンドの性質に関して振動系と非振動系における違いを議論したのは本研究が初めてであり、この結果は振動系での粉体流の挙動理解に向けた今後の研究で大きな役割を果たすことが期待される。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 一連の室内実験と数値計算で得られた結果は全て互いに整合的であり、鉛直振動下における砂山の流動化メカニズムについて従来考えられていたものとは異なる物理的洞察を与えるものとなった。そして、国内外の学会・研究会において積極的に成果発表も行っており、優秀発表賞も受賞していることからも客観的に高い評価を得ていると言える。また、得られた結果は既に論文としてまとめあげて国際学術雑誌に投稿しており、査読者からは非常に良好な返答を得ている。来年度中には改訂した原稿が出版されることが期待される。以上のことから、本研究課題はおおむね順調に進展していると考えられる。
Strategy for Future Research Activity	次なる研究目標として、輸送モデルで導入された定数Cの具体的な値がどのように決まるのかを明らかにすることが挙げられる。昨年度の段階で実験では定数Cがおおよそ一定値を取ることが分かっていたので、今年度はDEMを利用してこの普遍性をさらに詳細に調べた。まず二次元系（円盤粒子）と三次元系（球体粒子）の両方で実験を再現した結果、この定数Cは次元に影響を受けないことが分かった。また、定数CはDEMで設定が必要となる粒子の力学パラメータ（摩擦係数など）にも依存性を示さず、ある種の普遍性の存在を強調する結果となった。この普遍性に対して物理的解釈が与えられていないのが現状であるので、来年度中にこの問題を解決することを目指す。もう一点考慮すべき点として、粉体ゆらぎ速度（粉体温度）が輸送モデル内に含まれていない問題が挙げられる。先行研究で提唱されている粉体流に関する連続体モデルでは、粒子レベルのゆらぎ速度がバルクの輸送を考える際に重要な役割を果たすと考えられている。この粉体ゆらぎ速度は主に加える振動速度によって変化すると予想されるが、現状それらの解析が行えていない。我々が提唱している輸送モデルの理解を向上させるためにも、来年度中にはゆらぎ速度を含んだ先行研究のモデルとの比較を通して議論を深めることを目指す。