2021 Fiscal Year Annual Research Report
計算科学に基づく新規移流拡散制御・分離測定技術の開発によるソーレ係数の高精度測定
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20J23254
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| Research Institution | Waseda University |
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Principal Investigator |
折笠 勇 早稲田大学, 理工学術院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | Soret効果 / Soret係数 / 浮力対流抑制 / 数値計算 / 干渉計 / 粒子画像流速測定法 / 干渉縞解析 / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
結晶成長や海洋・熱水鉱床の成分分布，油田開発や成分分離技術など様々な学術，産業的利用が期待される温度場での物質拡散現象“Soret効果”の解明に重要な熱物性値“Soret係数”の高精度かつ簡易的な測定の実現に向けて，測定装置の開発と測定データの解析手法の開発双方から研究を行い，次の1）および2）の成果を得た．また，Soret係数測定を利用した拡散係数測定に関して，大規模データを統計処理することで空気揺らぎなどのノイズによる影響を低減し，高精度に拡散係数を解析する手法を構築し，その成果を共著者として国際誌に発表した．
1)2020年度時点において，疑似二次元間隙中の上側高温溶液における温度・速度場の数値計算を通してSoret係数測定の擾乱である浮力対流のレイノルズ数Reがその駆動力である水平温度差と容器寸法を含むグラスホフ数Grの累乗関数からなる実験式で与えられることを明らかにした．2021年度は，上記数値計算のメッシュやステップサイズによる収束性の詳細な検討を行い，実験式の精度およびその妥当性を向上させた．また，その成果を筆頭著者として，査読付きの国際誌に発表した．
2)2020年度時点において，人工的に生成した干渉縞の強度値と位相変化量とを教師データとして機械学習したモデルにより，未知の干渉縞の位相変化量を解析する手法を提案した．2021年度は，教師データの位相変化量の領域を広げることにより，解析精度を向上させる手法を明らかにした．その成果を，日本マイクログラビティ応用学会第33回学術講演会で発表した．また，その成果を筆頭著者として，査読付きの国際誌に発表した．
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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
数値解析や機械学習などの計算科学に基づいて，高精度かつ簡易的にSoret係数取得を実現する試料容器の最適形状や解析アルゴリズムを解明するため，令和2年度第1回研究計画書で記載した令和3年度研究計画では，試料容器形状に関して，1) 高精度Soret係数測定を実現するガラスセルの最適形状設計，2)ガラスセル中混合溶液の温度，濃度場形成過程の数値計算，および3)干渉計による実験的観測を計画していた．また，解析アルゴリズムについて，4) 機械学習手法の開発，および5)ノイズを周期特性に基づいて分離・抽出するトラッキング法の開発を計画していた．
1)に関しては，COMSOL Multiphysicsによる詳細な数値計算を行い，局所加熱された試料溶液の溶液速度が試料容器寸法を含む無次元数の累乗関数で与えられることを示した．移流・拡散現象の物質輸送距離の比較に基づき，高精度Soret係数測定を実現し得る容器寸法条件を見出した．この成果を熱・物質輸送の代表的な国際誌に発表した．
2)および3)に関しては，異なる試料寸法におけるガラスセル中混合溶液の数値計算を行った．独自に干渉計および粒子画像流速法(PIV)用装置を構築し，実験的な観測を行った．これら今年度の国際学会および国際誌での発表を予定している．
4)に関しては，人工生成した干渉縞画像を教師データとする干渉縞の機械学習解析モデルを構築し，その有用性を明らかにした．この成果を国際誌に投稿し，厳正な査読の末，掲載された．5)に関しては，トラッキング法のような複雑な解析手法を開発せずとも，従来法の改良により，ノイズを高精度に分離解析できる手法を明らかにした．この成果を共著者として，国内学会で発表した．
このように，想定通りの成果が得られた．以上より，期待通り研究が進展したとした．
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| Strategy for Future Research Activity |
高精度ST測定の実現にむけて2021年度までに，測定の擾乱となる浮力対流速度と容器寸法との関係および機械学習や基礎的な光学原理に基づく干渉縞解析手法を明らかにした．高精度ST測定条件を明らかにするためには，ST測定に許容される浮力対流速度を明らかにする必要がある．すなわち，高精度ST測定の許容速度を明らかにし，既に解明している速度と寸法条件に適用することで，高精度ST測定の寸法条件を得る．そこで，2022年度には，局所加熱し内部に温度勾配をもつ混合溶液中でSoret効果により形成する濃度勾配と浮力対流の大きさとを数値計算し，また粒子画像流速測定法（PIV）および干渉計を用いて実測する．実測では，浮力対流を限りなく小さく抑えるための微小空間を有するガラス容器を独自に設計，作製する．数値計算と実測を通して，浮力対流の大きさに対する濃度勾配から換算したST測定精度の関係を明らかにし，その成果を国際学会や国際誌で発表する．
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