2020 Fiscal Year Research-status Report
Development of online ultrasonic Doppler rheometry
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18KK0105
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
PARK HYUNJIN 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00793671)
熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 教授 (50597680)
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| Project Period (FY) |
2018-10-09 – 2022-03-31
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| Keywords | レオロジー / 流体計測 / 超音波 / 画像処理 / PIV / UVP / 食品 / データ同化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題ではオンラインレオメトリーを開発・実現するために，スイス連邦工科大学チューリッヒ校(ETH)との共同開発を行った．またETHとの連携をもつEPFL（スイス連邦工科大学ローザンヌ校），中国・天津大学とも間接的な共同研究を進めた．2020年度は以下の項目について成果を得た．[1]粒子画像流速測定法PIVにより非ニュートン流体の外部流を対象として速度ベクトル場の計測結果から圧力場と粘度場を同時に定量可視化するツールを開発した．カルマン配列渦がシアシニング性をもつ非ニュートン流体では渦核が高粘度，渦周囲が低粘土になり渦運動が下流に長時間持続し運動量散逸が相対的に低下することを発見した．この成果は流体計測の国際誌 Flow Measurement and Instrumentationに発表された．[2] 複数の振動周波数が混在するせん断ひずみ流れを超音波パルスドップラー法UVPによりの時空間速度分布を計測することによりレオロジー特性をマッピングするという新手法を開発した．これによりエマルジョンや気泡懸濁液における複素粘度特性を取得することに成功した．成果は日本機械学会論文集に掲載された．[3]熱移動を伴う食品の表面における冷却プロセスを３次元で計測するColor PIV技術を開発した．この結果，表面の凹凸や祖度に影響を受けた乱流境界層の内層構造を定量計測することに成功した．この成果は日本機械学会流体工学部門講演会にてETHの研究者と共著で発表された．[4]ゲルを媒体とする非ニュートン流体の運動機構について国際共著論文として英文誌 J. Non-Newtonian Fluid Mech.に掲載された．以上についてはコロナ禍における２国間の移動制限のためETHと北海道大学の間で２週に１回のペースでweb会議を実施し，最新の情報交換と研究推進会議を重ねた．
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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
上記の成果は２つの国際学術誌と１つの国内和文誌に掲載された．また10件の国内学会講演会において発表した．さらに現在，３つの論文の投稿中であり，成果の発信が増える見込みである．2019年度には，代表者がコーディネータとなり，スイス連邦工大学チューリッヒ校(ETH)と北海道大学の間で本課題分野の専門家が集結した学術交流シンポジウムを開催した．2020年度内には北海道大学を会場としてその発展版のシンポジウムを開催予定であったが，コロナの深刻化のためやむなく中止となった．しかし２週間に１度のペースでweb会議を実施し，研究情報交換を持続している．特に本技術開発を活かした食品高付加価値化研究ならびにマイクロプラスチック汚染対策技術の開発については2021年度において共同で研究をすることが決定しており，そのため本課題の期間を延長申請させて頂いた．本課題の中核に位置づけている物理融合計測とデータ同化については，日本機械学会を通じて代表者が企画・提案した日本学術会議マスタープランに内定しており，さらに北海道大学においては農学研究拠点プログラムに採用され本課題をベースとした内部支援が決定するなど，内外との広範な連携と展開が生じている．以上のことから順調と判断される．
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| Strategy for Future Research Activity |
本課題は３つのテーマから構成され，それぞれの研究を推進する．テーマ1は流速分布測定技術とレオロジー支配方程式のデータ同化，テーマ2は，超音波や光による組織や物性の空間分布を可視化するレオグラフィ，テーマ3は，機械学習の利用を前提としたレオロジービッグデータの構築システムの開発である．テーマ1は主として代表者の村井がリードして開発しており，2021年度は非ニュートン混相流体の速度ベクトル場の計測から応力テンソル分布全体を多次元定量可視化する技術を開発する．テーマ2については振動せん断流において実現できる数理スキームが確立され，とくに難問となっているチキソトロピー流体への試験のデータ充実化を図る．テーマ3については，ETHのP.Fischer教授と連携し，村井，朴，熊谷が協力しながら，機械学習型のレオメトリーの設計を進める．
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