2021 Fiscal Year Research-status Report
自由表面を有する閉空間内トポロジー対流場と低ストークス粒子コヒーレント構造
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20K20977
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
上野 一郎 東京理科大学, 理工学部機械工学科, 教授 (40318209)
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| Project Period (FY) |
2020-07-30 – 2023-03-31
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| Keywords | 表面張力差駆動対流 / コヒーレント構造 / 低ストークス数粒子 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，表面張力差を駆動力とする対流場内に付与した低ストークス（St）数粒子が自発的に集合し，周方向に閉じた特異な粒子集合構造（Particle a ccumulation structure, PAS）を対象としている．特に，このような低St数粒子群がトポロジー対流場内で自発的に形成するコヒーレント構造の形成過程解明，およびトポロジー対流場とコヒーレント構造を形成する粒子挙動間の相互関係の解明を目的としている．2021年度は，2020年度と同様，COVID-19感染拡大における研究活動制限措置等の影響により，主に数値解析による現象解析および実験データに対する解析コード開発を重点的に行ってきた．m=1のコヒーレント構造が発現する条件を実験的に探索し，その空間的特徴と自由表面上に発現する温度場との相関を明らかにした．また，先行して実施された国際宇宙ステーション日本実験モジュール「きぼう」で得られた実験結果および地上実験で取得した実験結果について，コヒーレント構造の空間的定量化および発現条件について解析を進め，学術雑誌に投稿・掲載された． さらに，自由液膜系における温度差マランゴニ駆動による対流場および含有粒子挙動に関する実験および計算を展開し，特に，複数のセル構造が発現する条件を実験および数値解析ともに見出した．
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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
2021年度は，前述の通り，2020年度と同様，COVID-19感染拡大における活動制限措置等の影響により，主に数値解析による現象解析および実験データに対する解析コード開発を重点的に行ってきた． m = 1のコヒーレント構造が発現する条件を実験的に探索し，その空間的特徴と自由表面上に発現する温度場との相関を明らかにした上で，先行して実施された国際宇宙ステーション日本実験モジュール「きぼう」で得られた実験結果について，コヒーレント構造の空間的定量化および発現条件について解析を進め，学術雑誌に投稿・掲載された（Sakata et al., Phys. Rev. Fluids 7, 2022）．2021年度では，特に螺旋状構造を有するm = 1のPASの3次元構造に関する実験的研究を進め，スコットランドのグループによる先行研究で数値解析により予測されていたコヒーレント構造の再現に成功した．さらに，コヒーレント構造発現の探索によって新たな構造を発見した．これはオーストリアのグループによる先行研究で数値解析に予測されていたが，これまで実験的に確認がされていなかった別のm = 1のコヒーレント構造に相当する．特にポアンカレ断面を用いた構造情報の抽出を試みた．以上の研究成果は，現在学術雑誌への投稿論文としてまとめている段階である．なお，2021年度に予定していた研究協力者との研究打合せにかかる出張は，2020年度と同様，取りやめざるを得なかった．
さらに，自由液膜系における温度差マランゴニ駆動による対流場および含有粒子挙動に関する研究成果についても，現在学術雑誌への投稿論文としてまとめている段階である．
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| Strategy for Future Research Activity |
温度差マランゴニ対流におけるコヒーレント構造の形成メカニズムとして，現在までにベルギーのグループおよびオーストリアのグループにより異なる理論モデルが提唱されているが，いずれも実験的に実証されておらず結論に至っていない．今年度は特に，本研究グループが実現している実験結果を用いて，異なる周方向波数を持つコヒーレント構造の形成モデルを構築する予定である．2021年度に行った予備的研究により，粒子挙動，特に半径方向－高さ方向断面内の運動と，hydrothermal wave不安定性により発現する周方向運動の関係を定量化し，協調的運動の発現機構を予測出来つつある．2022年度においては，その実証を目指す予定である．また，自由液膜系においては，複数のセル構造発現機構について，エネルギー論的定量化を目指す予定である．なお，採択時の計画では2020年度に国際会議に参加，2021年度に研究協力者との研究打合せのための旅費を計上しているが，COVID-19の感染拡大状況を見極めながら研究活動を進めていく予定である．
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| Causes of Carryover |
COVID-19感染拡大における活動制限措置等の影響により，実験的研究実施に大きな制限がかかった点，また，予定していた国際会議への参加が実現しなかったために次年度使用額が発生している．2022年度においては，これまでに検討・検証していた実験的研究を進めるとともに，海外研究者との研究打合せなどを検討している．
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Research Products
(5 results)
