2020 Fiscal Year Annual Research Report
流体の破壊力学―破壊の時間発展モデル構築と流動履歴依存性の検討
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19H00713
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
市原 美恵 東京大学, 地震研究所, 准教授 (00376625)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
亀田 正治 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (70262243)
桑野 修 国立研究開発法人海洋研究開発機構, 付加価値情報創生部門(数理科学・先端技術研究開発センター), 研究員 (30511969)
大槻 道夫 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (30456751)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 粘弾性流体 / マグマ / 破壊 / レオロジー / 火山 / 降伏応力 / 懸濁流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
爆発的な火山噴火では、液体・気泡・結晶からなるマグマなどの複雑流体が急速な変形を受けて破砕し、火山灰などが形成される。この現象を、流体の流動と破壊過程と位置づけ、その物理を解明することを目的としている。前年度までに、マグマや火山泥を模擬するソフトマター物質を選定し、気泡の急膨張や円柱の移動に伴うソフトマター物質の流動と破壊を調べる実験装置を製作した。本年度はこれらの装置を用いて、与える変形の速度を系統的に変化させて実験を行った。また、実験の変形場や応力場の可視化により、流動から破壊に至るプロセスを詳細に観察した。その結果、いずれの実験においても共通に、変形開始後すぐに破壊が発生する「脆性破壊」と、破壊の発生しない「流動」の間の条件で、流動後に破壊に至る「遅延破壊」が発生することを明らかにした。次のステップとして、上記の実験で気泡破裂に伴う音波や円柱に掛かる力を計測するための装置改良を進めた。また、フランスのマルセイユ大学において進めていた固体粒子懸濁流のレオロジーを調べる実験の理論的解釈を検証するための、粒子間摩擦特性を計測する方法を考案し、現有の装置に改良を加えて実験を実施した。フランスでの実験結果と本結果を合わせて、粘性支配の状態から慣性支配の状態までの幅広い条件下でのレオロジーモデルが確立された。数値計算のグループは、マクスウェル粘弾性モデルを用いた流体の伸張破壊の計算結果を論文にまとめて投稿した。査読者より、より複雑な粘弾性体モデルを用いるべきであるとの指摘があり、物質構成方程式の検討とそれを実装するための計算コードの改良を進めた。
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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
2020年度に予定していた研究に対して、新型コロナウィルス感染症に伴う入国規制のために2度の繰り越しを行い、2022年度までかけての実施となった。2020年度後半に、流体の可視化実験を行うための専門家が来日し、2021年度には予定していた実験を開始した。2021年度の研究費も合わせて実験を進め、論文として発表することができた。一方、レオロジー研究を担当するもう一名の専門家はフランスで足止めとなり、マルセイユ大学の協力を受けて現地で懸濁流のレオロジーを調べる実験を進めた。しかし、論文を執筆する段階で、研究代表機関の装置を用いた粒子間摩擦の計測を行う必要が生じた。こちらの専門家は2021年度後半に入国が実現し、予定していた実験に着手した。その結果を論文にまとめ、2022年度に発表することができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度～2022年度の研究を合わせ，2022年度には流体の破壊についての理解を大きく進めることができた。今後は、投稿準備中の論文を完成させるとともに、修正中の論文を完成させるための追加実験およびレオロジーモデルを改良する理論的・数値的研究を進める。また、本研究成果を火山噴火ダイナミクスの理解につなげていく。
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