2021 Fiscal Year Annual Research Report
不混和界面と混和界面の動力学に関する統一的解釈－メゾスケールでの物質混合機構－
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19H02058
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
原田 周作 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80315168)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田中 洋介 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80509521)
山本 恭史 関西大学, システム理工学部, 教授 (90330175)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 微粒子分散系 / 濃度界面 / 混合 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体中に分散した固体微粒子が形成する見かけ上の界面（濃度界面）の動力学的性質，および界面近傍における微粒子の混合現象の解明を目的とした研究を行った．第1の目的である微粒子濃度界面の挙動解明のために，屈折率マッチング法と光切断法を併用した濃度界面の3次元形状測定システムを開発した．この測定システムを用いて，模擬多孔質体中を重力沈降する微粒子懸濁液の濃度界面挙動を調べた．その結果，微粒子の集団性の違いにより種々のモードの沈降形態が出現することが確認された．集団性が小さい条件では鉛直方向に粒子が個別に沈降するのに対し，集団性が大きい条件では濃度界面が不混和となることにより，下部液体との体積置換効果に起因した3次元的な分散挙動が生じることがわかった．粒子と流体の物性，懸濁濃度，多孔質体の空隙スケールを種々に変化させて実験を行った結果，沈降形態の推移および沈降速度の変化が1つの無次元数により整理されることを確認した．
第2の目的である濃度界面近傍の微粒子の混合現象に関しては，実験および数値解析による解明を試みた．実験では，紫外線を照射させることにより蛍光する特殊な微粒子を作製し，上下に成層させた微粒子懸濁液の濃度界面近傍での混合挙動を調べた．またpoint force modelを用いて微粒子の混合現象に関する数値解析を行った．その結果，粒子の混合は，上下の懸濁液の集団性および沈降速度比を含む無次元数によって整理されることがわかった．無次元数が負となる条件では，上下粒子の沈降速度差によって微視的な混合（ミクロ混合）が生じ，無次元数が大きな正の値を示す条件では，不混和流体で見られる密度不安定に起因した巨視的な混合（マクロ混合）が生じることがわかった．さらに両混合形態における粒子の混合速度を導出することにより，任意の懸濁条件における粒子の混合挙動を定量的に予測することが可能となった．
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| Research Progress Status |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和3年度が最終年度であるため、記入しない。
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