2018 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，「ゲル材（固体）を用いた液体射出システムの開発」に主に取り組んだ．これは，ジェット速度の制御難を招く，液中の発泡現象（キャビテーション）の制御に重要な役割を担う．本研究では，液体容器の内部に，多数の気泡をあらかじめ封入したゲル材（PVAゲル）を充填する．この液体容器に急加速(打撃)を与えることで液体ジェットを生成した．液体ジェットの速度を，高速度カメラを用いて調査した結果，ジェット速度はゲル内に予め封入した気泡によって制御可能であることを示した．さらに，ジェット速度制御メカニズムの解明のため，ゲル・液中を伝播する圧力波を考慮した物理モデルを提案した．モデルの妥当性検証のため，ハイドロフォンを用いて液中の圧力を計測した．得られた圧力の時間応答は，モデルの傾向とおおよそ一致することを示した．
さらに2年目の研究計画である，「高粘度液滴量の制御」に関する実験を行なった．1年目で完成した高粘度液体射出手法を用いて，液体の粘度，ノズルの内径および液滴の射出速度をそれぞれ変化させた実験を行なった．その結果，条件により液滴が一滴として射出される場合と，液糸として飛翔する場合，の二つの挙動が確認された．液滴量の制御を考えると，一滴のみの射出が理想的であるため，一滴として射出される条件を調査した．その結果，一滴射出の条件は，オーネゾルゲ数（粘性力，慣性力，表面張力の比）とレイノルズ数（慣性力と粘性力の比）の二つの無次元数により記述可能であることを示した．
3年目の計画である「非ニュートン液体射出メカニズムの解明」に関して，実際に非ニュートン液体を用いた射出実験を行なった．その結果，時間経過による液体ジェットの速度および形状が，ニュートン流体と大きく異なることを示した．
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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，「ゲル材の（固体）を用いた液体射出システムの開発」について大きな進捗が得られた．ゲル材の導入することで，液体ジェットの射出速度の制御の達成した．この成果は，これまでの液体ジェット技術で問題である，液中の発泡現象（キャビテーション）によるジェット射出速度の不安定化に対するブレイクスルーとなる．本研究成果は，国内学会誌（前嶋，大貫ら，日本画像学会誌，2019）および国際会議（Onuki et al., 71st APS Division of Fluid Dynamics, 2018, Atlanta, USA）で発表した．さらに，ジェットの制御性に加え，ゲル材により液中のキャビテーションを抑制できることを示した．これは，気泡核などの除去が困難となる高粘度液体や非ニュートン性液体を用いたジェット速度の制御への大きな貢献が期待できる．
さらに2年目の課題である「高粘度液滴量の制御」に関して，液滴が一滴として射出される条件の解明に成功した．これにより，塗布精度の大きな障害となるサテライト滴の防止が達成される．したがって，高粘度液滴のオンデマンド印刷に大きく前進したことになる．次年度では，一滴として射出される条件の範囲内でパラメータスタディを行い，液滴量の変化を調査する．
３年目の課題である「非ニュートン液体射出メカニズムの解明」に関しては，実際に非ニュートン性液体を用いた実験に着手できた．その結果により，非ニュートン性液体ジェットの挙動がニュートン性液体のそれと大きく異なることを示した．さらに，本課題に関して，海外の研究者（Franck Quero准教授，University of Chile，Chile）との共同体制の構築にした．現在もQuero准教授とは，友好な関係を気づいており，次年度の研究成果により国際共著論文の執筆が見込まれる．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度ではまず，「ゲル材（固体）を用いた液体射出システムの開発」について，追加の実験および数値計算を行い，国際会議論文に執筆する予定である．
次年度の前半には，「高粘度液滴量の制御」について集中的に取り組む予定である．平成31年6月27日からの約一ヶ月間，スペインのUniversidad de SevillaからJose Manuel Gordillo教授が本学に滞在する．申請者は，平成29年度にUniversidad de Sevillaに滞在し，高粘度液滴制御技術の学んだ．Gordillo教授の滞在期間に，高粘度液滴量制御に関する議論を密に行い，国際共著論文の執筆を目指す．さらにGordillo教授の滞在期間に，液滴の衝突・塗布挙動に関する実験を行う．これらの知見は，本研究課題の到達点である，オンデマンド塗布技術の開発に極めて重要となる．液滴を小さくした場合に起こる液体の飛び散り（スプラッシュ挙動）に関する調査を行い，液滴サイズがスプラッシュ挙動に与える影響を明らかにする．この知見を国際共著論文として執筆する予定である．
3年目の課題である「非ニュートン液体射出メカニズムの解明」について，ピンチオフ挙動調査の際に，非ニュートン流体も使う予定である．また，本研究グループのAndres Franco Gomez博士と議論を行う．Andres Franco Gomez博士は非ニュートン性液体に関する知見を豊富に有している．さらにQuero准教授の協力を得て，非ニュートン性液体に関する理解を深める．Franco Gomez博士とQuero准教授の持つ非ニュートン流体に関する知識と申請者の持つ液体ジェット射出理論を組み合わせることで，非ニュートン液体ジェットの射出メカニズムの完成を目指す．本知見は，国際学会誌に投稿する予定である．
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