2019 Fiscal Year Annual Research Report
粘弾性流体クエット流の渦構造に着目した抵抗低減乱流および弾性乱流の統一的理解
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19J22589
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
仁村 友洋 東京理科大学, 理工学研究科, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 粘弾性流体 / 流れの不安定性 / DNS / 可視化実験 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本年度では，ニュートン流体において様々な渦の状態を誘起される回転平面クエット流れが粘弾性によってどのように変調するかを調べるために，構成方程式モデルを用いた直接数値解析を行った．
粘弾性の回転平面クエット流れには，流れのパラメータ（レイノルズ数と系の回転数）に加え，粘弾性のパラメータ（粘性と弾性の強さを示すパラメータとモデルパラメータ）があり広範なパラメータ領域を持つため，本年度は実験と検証することが比較的容易な低レイノルズ数において弾性の強さを変化させる解析を重点的に行なった．ニュートン流体では主流方向に対して波状の渦を形成する流れのパラメータにおいて，粘弾性を付加した解析では，主流方向に対して直線状の渦が形成されることが分かった．この変調は流れのパラメータには依らず，波状の渦の性質そのものに対して見られることが確認された．この成果は国内外の会議や研究会で発表した．
また，年度の後半からは回転平面クエット流れの装置を有するスウェーデン王立工科大学へ訪問し，得られた数値解析結果との実験的な検証をするために可視化実験を進めた．本年度では，先行して行われた数値解析に合わせた流れのパラメータ条件で，粘弾性を示す界面活性剤水溶液の濃度を変化させ，その流れの変調を調べている．少量の界面活性剤濃度から明らかに溶液の物性が変わるような濃度においても，波状の渦ではなく直線状の構造が形成することが数値解析と同様に見られた．さらに，ニュートン流体では層流になるほど低いレイノルズ数の流れにおいて，粘弾性に起因する特有の構造を発見した．この結果は，高レイノルズ数に設計できないようなマイクロ流路などにおいて運動量の輸送を向上させることができると期待される．
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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
粘弾性流体の回転平面クエット流れの直接数値解析および，スウェーデン王立工科大学での可視化実験はおおむね研究計画通り進んでいる．しかし，低いレイノルズ数における粘弾性流体の数値解析において，流れの状態を評価するためには長時間の解析が必要なためさらなる解析が課題となっている．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き共同研究先のスウェーデン王立工科大学にて，粘弾性流体の可視化実験を今年度の8月末まで行う予定である．本年度では特に，前年度における可視化実験によって確認されたいくつかの特徴的な粘弾性に起因する不安定性について焦点を当てて調査する．前年度では，非常に低いレイノルズ数流れで確認された粘弾流体の不安定性を発見した．この不安定性の発生条件の特定や構造の把握を目指し，様々な流れのスケールとの比較を行う．また，粘弾性によって変化する流れ場の状態遷移全体を把握するために，流れ場のパラメータと粘弾性のパラメータ空間における相図を作成をする．これらの実験に伴い，数値シミュレーションも並行して行い両者の比較検討をしながら，調査を進めていく．
これらの成果をまとめたものは，それぞれ英文雑誌へ投稿することを予定している．
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