2011 Fiscal Year Annual Research Report
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21540418
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
中西 秀 九州大学, 大学院・理学研究院, 教授 (90155771)
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| Keywords | ダイラタント流体 / ずり粘化 / レオロジー / ずり粘化振動 |
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| Research Abstract |
ダイラタント流体のレオロジーを明らかにするために、現象論的流体力学を構成し、単純な流れ場における数値シミュレーションを行ってその性質を調べた。また、その結果を確認するための実験を計画し、研究協力者と共同で実験を行った。
ダイラタント流体とは濃厚な粉体-液体混合系で、外部からの応力に対して不連続かつ瞬間的に非常に大きなずり粘化を示す媒質で、そのミクロなメカニズムは未だ理解されていない。
本研究では、通常の流体力学変数に加えて、粉体粒子の局所的分散状態を記述する現象論的場の変数φを導入し、流体力学を構成した。定常状態での状態変数の値が局所的粘性ストレスによって与えられるとすることにより、実験的に観測されている、不連続なずり粘化を示すストレス-ずり速度曲線や、ずり速度を変化させた場合の履歴効果を現象論的に表現できることを示した。また、状態変数方程式において、通常仮定されるような緩和時間一定の緩和ではなく、ずり速度に比例する緩和率を仮定した。これは、状態の変化が媒質の変形によって駆動される場合に対応し、これによって、外部からの劇力に対し粘化が瞬間的に起こりほとんど変形を許さないという、ダイラタント流体に特異な性質を表現できることを示した。この系を単純な流れ場で数値シミュレーションすることにより、ずり速度がある条件を満たす場合に一様流が不安定化し、急激なずり粘化と緩和を繰り返す振動流(ずり粘化振動)が生じることを、理論的に予測した。ずり粘化流体についてこのような振動状態を指摘したのは本研究が初めてである。
実験的には、これまでこのような明確な振動現象は観測されていなかった。そのため、研究協力者と共同で実験を計画した。その結果、予測したパラメタ領域において明確な振動が観測された。
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