2017 Fiscal Year Annual Research Report
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17J06711
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
大貫 甫 東京農工大学, 大学院工学府, 特別研究員(DC1)
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2017-04-26 – 2020-03-31
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| Keywords | 流体力学 / 液体ジェット / 高粘度 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度は年次計画に移行する前段階として，まず高粘度液体ジェット射出メカニズムの解明に取り組んだ．これは，「オンデマンド型高粘度機能性液体塗布システムの開発」の遂行の基盤となる研究であるため，早急な研究遂行が求められていた．射出メカニズム解明のため，液体ジェットの射出全体の過程を異なるタイムスケールで起こる，1)液体の急加速過程，2)液体ジェット射出過程，に分けて調査した．全過程の中でも非常に短い期間で起こる1)液体の急加速過程に関しては数値計算を行い，粘性の影響は小さく無視できることを示した．一方，2)液体ジェット射出過程では，高速度撮影による実験および数値計算を行い，粘性はジェットの射出速度を低下させる働きがあることを発見した．この作用を詳しく調査するために，液体ジェット射出時の粘性境界層に着目した．その結果，境界層の発達が液体ジェットの射出を妨げることを発見し，境界層の厚さを考慮することで粘性の影響を統一的に記述できることを示した．
また1年目の研究計画である，「ゲル材（固体）を用いた射出システムの開発」についても実験を行った．容器内にゲル材（PVAゲル）を充填し，ゲル層上部に液体（シリコーンオイル）を充填する．この容器を床と衝突させ，生成される液体ジェットの挙動を観察した．その結果，ゲル内に封入した気泡の量によって液体ジェット速度を制御できることを示した．ジェット速度の制御は，射出される液滴量の制御に直接関わる重要な項目である．このメカニズム解明のため，ゲル内の圧力変化に着目した．偏光情報を記録することで応力を計測できるカメラ（偏光カメラ）を用いて，打撃付与時の応力変化を調査した．その結果，気泡を含むことでゲル内の応力伝播速度（音速）が液体の10分の1程度まで低下することがわかった．このゲル材の音速と液体の音速の差が液体ジェット成長に影響することを示唆した．
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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
本年度では，本研究の基盤となる高粘度液体ジェット射出メカニズムを解明できた点が大きな進捗である．これまでの液体ジェットに関する研究のほとんどは低粘度を扱ったものがほとんどであり，高粘度液体を扱うこと自体挑戦的な課題であった．申請者は，この高粘度液体を扱った課題に先駆的に取り組み，これまでの研究では無視されていた粘性境界層の発達を，液体ジェットの生成と関連づけることで高粘度液体ジェット射出メカニズムを解明した．この成果は，国際学会誌（Onuki et al., Phys. Rev. Appl., 2018）やプレスリリース（備考欄参照）として発表され，産学での注目を集めている．また高粘度液体ジェットの射出原理は，今後の研究計画である，「高粘度液滴量の制御」や「非ニュートン流体を用いた液滴射出・機能性液滴塗布」の研究計画遂行への大きな貢献が期待できる．
また当初の研究計画である，「ゲル材（固体）を用いた射出システムの開発」については，ゲル材による液体ジェット速度の制御性を示せた．本研究で取り扱う液体ジェットは，液中に内包する気泡の運動により，液体ジェット速度の制御性が著しく失われることが報告されていた．また，液中のマイクロ・ナノスケールの気泡量・運動を制御するのは困難であった．本研究では，射出装置内にゲル材を入れることで簡易的にジェット速度を制御できる．またゲル材を入れることで，液中の確率的な気泡の運動を抑制できることを発見した．またジェット速度を制御できる理由は，ゲル材と液体との音速の違いが起因することを示唆した．これは研究遂行のための重要な指標であり，次年度以降の研究の円滑な遂行が見込める．
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| Strategy for Future Research Activity |
2年目は当初の年次計画に則り，「高粘度液滴量の制御」を主に行う予定である．申請者は本年度にスペインにあるUniversidad de Sevillaに滞在し，高粘度液滴の制御手法を学ぶことで研究体制を整えた．同大学に所属するJose Manuel Gordillo教授は，液体が千切れる挙動（ピンチオフ）の専門家であり，高粘度液体を用いたピンチオフ挙動に関する研究を専門誌に掲載している．本滞在では，Gordillo教授が有する液体ピンチオフ技術を習得した． 次年度は，この液体ピンチオフ技術を基盤に高粘度液滴射出量の制御を目指す．
1年目の研究計画である，「ゲル材（固体）を用いた射出システムの開発」については，2年目も継続して研究を行う予定である．本年度では，実験を通してゲル材と液体の音速が重要であることを示唆した．そこで，2年目は数値解析を導入することでゲル材・液体内の音速変化を調査する．この数値解析と実験による液体ジェットの生成挙動を関連付けることで射出メカニズムの解明を目指す．
3年目の研究計画である，「非ニュートン流体を用いた液滴射出・機能性液滴塗布」について，本年度に調査を開始できた．非ニュートン性の中でもShear-thinning性を有する液体を試料として使用し，射出時の液体ジェットの挙動を，実験を通して調査した．その結果，液体ジェットの伸長方向の速度場が液滴射出において重要であることを示した．これまでの研究で非ニュートン性流体を取り扱う際には，その流体にかかるせん断速度を考慮していた．しかし，液体ジェット内のせん断速度場は伸長速度場に比べて小さいことがわかった．これにより，着目する点を伸長速度であることがわかった．次年度以降はこの液体ジェットの伸長に着目することで研究遂行を目指す．
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| Remarks |
新聞に掲載（化学工業日報，"蜂蜜も射出可能に 東京農工大学が新技術 次世代IJ技術期待"，2018年2月6日，7面）
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