2021 Fiscal Year Research-status Report
液体金属対流の定量可視化実験から観た地球流体核における熱物質輸送
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20K04114
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| Research Institution | Meisei University |
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Principal Investigator |
熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 教授 (50597680)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田坂 裕司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946)
益子 岳史 静岡大学, 工学部, 准教授 (70415917)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 液体金属 / 熱対流 / 超音波流速分布計 / 感温液晶 / 相変化 / レオロジー測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は、液体金属プルームの温度場と速度場の同時可視化を目的としているが、液体金属内部は可視光では見えないため、まずは既知のサーマルやジェットなどの流れについての流体実験を行い、正しく流速場が計測できているか確認するための実験を行った。温度計測については、これまで使用してきた薄型の矩形水槽の壁面に設置した感温液晶板では、１種類の液晶しか使っていないため、温度の計測範囲が限られてしまうという問題があった。そこで、かつて代表者が開発した複数の感温液晶を用いた温度場の可視化法を本課題でも適用できないか、検討を開始した。
また２重円筒水槽を用いた対流実験については、水および非ニュートン流体を用いたレイリー・ベナール対流実験を行ってきたが、水槽の壁面が曲面となっており、ハレーションなどの影響で、可視化計測がうまくできていない状況となっていた。そこで、紫外レーザーで励起される蛍光粒子を用いた流れ場の可視化法を新たに導入し、予備実験を行なった。その結果、壁面での余計な反射光が見えなくなったため、流体中のトレーサーの励起光のみが観測可能となり、PIV（粒子画像流速計）解析によって詳細な流速場を得ることができた。相変化を伴う流体（感温膨潤性ゲル（PNiPAM）のサスペンジョン）とHele-Shawセルを用いたレイリー・ベナール対流実験においても、この紫外レーザーでの可視化は有効であるため、より精度の高い流れ場解析が可能となった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
各担当の実験は着実に前に進んでいるが、本課題に関する研究発表や論文掲載などの成果が不十分となっている。また、研究の進展とともに、実験上の新たな問題点が出てきた。例えば、２重円筒水槽の実験では、壁面が曲面であるため、流れ場や温度場を計測する際に、ハレーションなどの影響が大きく、詳細な可視化計測が困難になっている。これを克服するために、最近、ＵＶレーザーと蛍光粒子を用いた予備実験を行い、それらの問題が解決できる手ごたえを得たので、先行きは明るくなってきている。
その他、依然として新型コロナが本課題の研究活動に大きな影響を与えている。実験を実施する環境や実験協力者の活動状況がコロナ以前とは異なっており、当初の計画よりも遅れてしまっている原因の１つとなっている。また、海外の研究協力者との交流も減っている。Zoomなどを使ったコミュニケーションは可能であるが、十分ではない。出張を伴う実験や研究打ち合わせができなくなったことが研究進捗に大きな影響を与えている。
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き、次年度も、各グループの実験を着実に進めていく。プルームの２次元温度場の可視化については、複数の感温液晶を用いた広範な温度域の可視化を目指す。また２重円筒水槽を用いた対流実験においては、紫外レーザーと蛍光粒子を用いた流れの可視化実験を実施する。一方で、相変化を伴う流体（ゲル粒子のサスペンジョン）を用いた熱対流実験については、新たにPNiPAMの合成を行い、粘度比の異なる複数のPNiPAM混合水を使った系統的な対流実験を実施する。また同時に、PNiPAMのサスペンジョンのレオロジー特性と流れ場との関係について明らかにするために、Ball Measuring Systemと紫外レーザーによる流れの可視化を用いた実験を実施する。そして、得られた研究成果を国内外の学会や査読付き学術誌で積極的に発表していきたい。昨年度同様、可能であれば、出張を伴う実験および研究協力者を交えた中間報告セミナーを実施したい。
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| Causes of Carryover |
依然として、新型コロナの影響により、研究計画書で予定していた出張（実験および研究打ち合わせ）が思うようにできていない。次年度の感染状況にもよるが、次年度使用の助成金と合わせ、研究課題達成のために必要な実験を実施するための旅費や物品の購入を予定している。
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