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2018 Fiscal Year Research-status Report

界面不安定性による多角形渦輪の形成メカニズム

Research Project

Project/Area Number 18K03572
Research InstitutionFukuoka Institute of Technology

Principal Investigator

下川 倫子  福岡工業大学, 工学部, 助教 (80554419)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 坂口 英継  九州大学, 総合理工学研究院, 准教授 (90192591)
Project Period (FY) 2018-04-01 – 2021-03-31
Keywords渦輪 / 不安定化 / パターン形成
Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は、渦輪の多角形への変形メカニズムの解明を通して粘性流体における非平衡界面の変形現象を理解することである。粘性流体中を沈降する液滴は沈降過程で渦輪に変形した後、自発的にいくつかの液滴に分裂する。この現象は100年以上前から知られているにもかかわらず、液滴の形状や沈降速度が時間とともに変化する非定常な系であることから、そのダイナミクスが十分に理解されているとは言えない。そこで、我々は液滴の分裂を促す渦輪の不安定性の研究を通して、そのダイナミクスを理解することを考えた。
本年度は、液滴の分裂個数を決定する物理量を明らかにし、分裂個数に関するモード選択を表現する物理モデルを通して、その物理ダイナミクスに対する解釈を与えた。
まず、実験で粘度や初期の液滴のサイズに対する分裂個数の変化を調べた。その結果、分裂個数は粘度増加と共に減少し、液滴サイズとともに増加する傾向があることが分かった。次に、実験結果から①渦輪の成長と②重力不安定性による界面不安性によって、渦輪の不安定化が起こり、液滴の分裂現象が起こると考えた。実験から得られたこの考察を元に現象論的モデルを提案し、無次元化することにより液滴サイズや粘度、密度差を含む無次元パラメータを導出した。得られた無次元パラメータを用いることによって、実験で測定された分裂個数を整理することができた。さらに、モデルから得られた無次元パラメータと分裂個数の関係は実験結果とよく一致していた。以上のことから、成長する渦輪の不安定化において、渦輪の成長と二流体の密度差による重力不安定性が支配的要因であること示した。

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、本研究課題の大きな目的の一つである沈降する渦輪の不安定化におけるモード選択ついて、実験と数値計算の両方からアプローチし、液滴の分裂個数を決定する物理機構に関する解釈を与えることができた。以上のことから、おおむね順調に進展していると判断した。

Strategy for Future Research Activity

本年度の研究を通して、沈降する渦輪の成長を理解することが本研究タイトルである”界面不安定性による多角形渦輪の形成メカニズム”の解明において重要であることが明確になった。そこで、今後は、渦輪の成長速度を決定する物理に着目し、研究を進めていく予定である。

Causes of Carryover

残額は、当初から計画していた国際会議旅費の一部を、他の資金からの援助を受けて支出したことにより生じた余剰であり、研究計画の未達による物ではない。

  • Research Products

    (8 results)

All 2019 2018

All Journal Article (2 results) (of which Peer Reviewed: 1 results) Presentation (6 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results,  Invited: 1 results)

  • [Journal Article] Mode selection on breakup of a droplet falling into a miscible solution2019

    • Author(s)
      Michiko Shimokawa and Hidetsugu Sakaguchi.
    • Journal Title

      Physical Review Fluids

      Volume: 4 Pages: 013603(1)-(14)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevFluids.4.013603

    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] 自然がつくるラテ・アート2018

    • Author(s)
      下川倫子
    • Journal Title

      混相流

      Volume: 32 Pages: 巻頭

  • [Presentation] Mode selection of Breakup of Falling Droplet in Miscible solution2019

    • Author(s)
      Michiko Shimokawa and Hidetsugu Sakaguchi.
    • Organizer
      BIT’s Annual World Congress of Smart Materials 2019
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 沈降する液滴の分裂個数の決定2019

    • Author(s)
      下川倫子,坂口英継
    • Organizer
      日本物理学会第74回年次大会
  • [Presentation] 沈降する液滴の分裂現象2018

    • Author(s)
      下川倫子
    • Organizer
      第2回キッチン地球科学研究集会
    • Invited
  • [Presentation] Mode selection of the breakup of a droplet falling into a miscible solution2018

    • Author(s)
      Michiko Shimokawa and Hidestugu Sakaguchi.
    • Organizer
      International conference on Advances in Physics of Emergent orders in Fluctuations
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Mode selection on the breakup of a falling droplet in a miscible solution2018

    • Author(s)
      Michiko Shimokawa and Hidetsugu Sakaguchi
    • Organizer
      Gordon Research Seminar ―Oscillations and Dynamic Instabilities in Chemical Systems―
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 界面不安定性による星形パターンの形成機構2018

    • Author(s)
      田中光貴,下川倫子,北畑裕之,坂口英継
    • Organizer
      第124回日本物理学会 九州支部会

URL: 

Published: 2019-12-27  

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