2022 Fiscal Year Research-status Report
磁気流体力学との類似性に着目した粘弾性流体の流れのモデル化と流れ場の解明
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22K03921
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
三神 史彦 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (40272348)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Keywords | 流体力学 / 粘弾性流体 / 磁気流体力学 / 数値シミュレーション / 可視化 / テクスチャー / ハイパーストリームライン / 偏光イメージング |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，磁気レイノルズ数が大きい宇宙空間のプラズマの流れと，高デボラ数の粘弾性流体の流れの支配方程式の類似性に着目して，磁気流体力学的な描像に基づく粘弾性流体の流れのモデルを構築し，物体まわりの流れに見られる特異な流動現象のメカニズムを解明することを目的としている．令和4年度は，偏光撮像素子を搭載したカメラを導入し，複屈折を利用して流体中の主応力差と主応力の方向の分布を可視化するシステムを構築した．また，応力テンソル場の可視化手法の開発を行い，グリフやテクスチャー，ハイパーストリームラインによって，粘弾性流体中の張力の振る舞いを可視化できるようにした．いくつかの興味ある問題について以下の研究を実施し，磁気流体力学に見られる特徴，とりわけ張力を持つ磁力線や，磁場の凍結，リコネクションとの関係に着目した研究を行った．
(1) 粘弾性をもつひも状ミセル水溶液を用いて，球や円柱まわりの流れを実験的に調べた．球を自由落下させる実験では沈降速度の急変現象が現れ，偏光撮像素子を搭載したカメラで撮影した画像から，急加速時に球背後の応力が減少することが明らかになった．
(2) 高デボラ数での数値シミュレーションでは，円柱列背後の流れに張力のリコネクションを伴う現象が確認される．ハイパーストリームラインやテクスチャーを使った可視化によって応力テンソル場の特徴を抽出し，特異点の配置とリコネクションとの関係を明らかにした．
(3) 回転する物体まわりの流れについて，巻き締め張力の効果や速度分布への影響を実験と数値シミュレーションによって調べた．
(4) 一様せん断流中で流線は張力を持つようになる．一様せん断流中での臨界層や，一様せん断流中に置かれた物体からの渦度伝播について，主として数値シミュレーションによる研究を行った．
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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
導入の計画をしていた偏光撮像素子を搭載したカメラは海外メーカーの製品で，世界的な半導体不足の影響を受け，当初の計画よりも納期が１年近く遅れることが判明した．直ちに同じ種類の撮像素子とインターフェイスを搭載した納期の短い他社製品に切り替えたことにより，海外メーカーの製品であるが予定どおり納品され，研究計画への影響はなかった．撮影した画像を解析するプログラムの作成も計画どおりに進み，直ちに測定にとりかかることができた．
開発したグリフやテクスチャー，ハイパーストリームラインによる応力テンソル場の可視化手法は，数値シミュレーション結果を分析・解釈するときの有用なツールとなっている．今後，偏光撮像素子をもつカメラで撮影した画像の可視化にも適用することで，数値シミュレーション結果に加え，実験結果の解釈にも役立てることができる．
導入した偏光撮像素子を搭載したカメラは，従来の製品に比べて100fps程度までの高いフレームレートまで対応しているが，球の沈降速度急変時の現象の詳細を捉えるためには，さらに高い時間分解能が必要になることが明らかになった．そこで，イベントベースビジョンセンサーを搭載したカメラを新しく導入し，輝度変化を非同期に高速で捉えるための準備をした．
以上述べたように，実験，数値シミュレーションによって総合的に研究を行う基盤が整い，データの蓄積も進んでいることから，おおむね順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度は，イベントベースビジョンセンサーを搭載したカメラによる偏光計測およびPIV計測のシステムを構築するほか，実験と数値シミュレーションを用いて，以下の研究を行う予定である．
(1) 静止流体中を沈降する球の実験では，沈降速度の急変が自発的に何度も続けて発生するような条件で，急加速と急減速のメカニズムを明らかにしていく．応力場の計測には，偏光撮像素子をもつカメラのほかに，イベントベースビジョンカメラも用いる．またレーザシート断面内の速度場のPIV計測も行う．
(2) 円柱背後の流れに見られるリコネクション現象について，磁気流体力学と粘弾性流体の応力テンソル場の違いに着目して，数値シミュレーションによって詳細を調べるとともに，円柱まわりで張力がどのように発生して輸送されていくのか，詳細を明らかにする．
(3) 球まわりの軸対称流れについて解析する数値シミュレーションプログラムを完成させて．沈降球の実験との比較も行いながら，円柱まわりの流れとの違いを明らかにする．
(4) 回転する物体まわりの流れについて，巻き締め張力の流れへの影響や境界層流れの特徴を，磁気流体力学で知られている知見と比較しながら調査する．
(5) 円柱列まわりの流れ，一様せん断流中におかれた物体まわりの流れなどについて，これまでに数値シミュレーションで蓄積されたデータをふまえて，さらに条件を広げて流れを調べていく．
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| Causes of Carryover |
導入した偏光撮像素子を搭載したカメラは，当初の計画では2464x2056ピクセルのカメラを２台縦に並べて使用する予定だった．半導体不足による納期の問題で別メーカーの製品を検討した際に，4096x3000ピクセルのモデルを利用できるようになったため，１台のカメラで対応する方法に計画を変更した．このため，カメラ２台を同期して録画するシステムや撮影レンズなどに計上していた予算を，今年度使用しないことになった．これらの予算の一部は，イベントベースビジョンカメラを新規に導入する費用にあてたが，関連する照明や光学系の購入が次年度になったため，未使用分が生じた．
次年度には，照明や光学系の整備費用として一部を使用するほか，数値シミュレーションによる研究の比重も大きくなることが予想されるため，必要な計算機環境の整備に使用する予定である．
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