2020 Fiscal Year Research-status Report
キャビテーションの弱非線形効果を利用した水中高速音響ソリトンの実現と応用
| Project/Area Number |
18K03942
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
金川 哲也 筑波大学, システム情報系, 助教 (80726307)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 気泡流 / 非線形波動 / 圧力波 / 抗力 / 並進 / 多分散 / 実効ポリトロープ / 超音波造影剤 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、キャビテーションにおける「弱い」非線形効果の利活用に着目し、水中の気泡の非線形振動とそれによる気泡流中の圧力波の弱非線形伝播を調べるものである。本年度も、理論的手法を主軸としながら、数値的手法を併用した。その結果として、下記成果が得られ、査読付雑誌論文9編（内Q1ジャーナル5編）の形で公表された：
(1)気泡の並進運動が圧力波の非線形性を増加すること、および、気泡に働く抗力が圧力波の散逸を及ぼすことを理論的に示した。各散逸効果を1000周期にわたり数値的に追跡し、抗力散逸と音響放射散逸の差異を解明した（Physics of Fluids誌に2編掲載され内1編はFeatured Articleに選出、混相流誌に1編掲載）。(2)気泡の初期多分散性を考慮し、その関数形に制約を課さない理論を構築した（International Journal of Multiphase Flow誌に1編掲載）。(3)気泡内部の熱伝導の解析を推し進め、温度勾配モデルと実効ポリトロープ指数の導入によって、理論の一般化と数値的検証に成功した（Physics of Fluids誌に2編掲載）。(4)3種類の初期非一様流速分布を有する水流中の圧力波を記述可能な3種類の非線形波動方程式を導いた（Journal of the Physical Society of Japan誌に1編掲載）。(5)マイクロバブルを用いた超音波医療への応用を目指し、診断と治療に係る理論を構築した（Japanese Journal of Applied Physics誌に1編掲載されSpotlightに選出、混相流誌に1編掲載）。
最終年度においては、各成果の深化および統合を行うと同時に、より現実に即した理論体系への拡張（揚力や重力の考慮、ボイド波の伝播など）にも着手中にある。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
以下の理由に基づいて判断した。
１．気泡に働く抗力、気泡の並進運動、超音波医療への応用などは、当初計画に含まれていなかったにもかかわらず、解析の立ち上げからはじめて、論文3編の国際誌への掲載までを達成できた。これは、研究計画の定常的な見直しと、研究の進展に伴う研究計画の適切な変更の結果といえる。
２．研究成果が、国際誌７編および和文誌２編の計９編に掲載され、質と量ともに当初計画を遥かに上回るアウトプットが達成できた。内２編はJournal's Bestに選出され、国際的にも高い評価を得て、成果の周知にも成功した。
３．代表者が、業績「気泡流中の圧力波を記述する非線形波動方程式群の網羅的かつ包括的な導出」に関して、2019年度日本混相流学会奨励賞を受賞した。被表彰業績の2018年度以降の業績は、本課題の成果と密接に関与していることから、本課題の成果は、国内の当該分野において高い評価を得た。
|
| Strategy for Future Research Activity |
最終年度は、決して前年度までの勢いを逃すことなく、研究完了に向けて突き進まねばならない。また、新型コロナウイルスの影響を鑑みて、計画を随時柔軟に見直すことも重要といえる。本報告書作成時点においては、今後の研究推進方策は、以下のとおりである：
１．前年度までの成果の深化として、抗力の影響の一般化、多分散性の効果の精査、多次元問題、医工学応用、数値的実証などが現在進行中である。本報告書作成時点において、成果完成の見通しが出つつあるため、論文化を目指す。
２．前年度までの成果の拡張として、揚力や重力の影響の解明、ボイド波の伝播などに着手し始めており、既存成果への組み込みを行う。
３．既存の実験的知見との比較を行う。
４．当初計画および本報告書に従い、研究完了に向けて、個々の成果の集約と統合を目指した総括を行う。
|
| Causes of Carryover |
成果の一部の論文投稿が遅れており、次年度使用額が生じた。これは、当該論文の投稿・掲載・オープンアクセス費および英文校正費に充てる予定である。
|
