2012 Fiscal Year Annual Research Report
歳差運動に駆動される非ニュートン流体の乱流の統計と動力学の解明
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24360071
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
後藤 晋 大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40321616)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
河原 源太 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50214672)
清水 雅樹 大阪大学, 基礎工学研究科, 助教 (20550304)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 乱流 / 歳差運動 / 非ニュートン流体 / 乱流変調 / 乱流混合 / 直接数値シミュレーション / 粒子画像流速測定 / 回転流体 |
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| Research Abstract |
歳差運動をする球体容器(歳差球体)内に維持される乱流の『作動流体の非ニュートン性による変調の様子』を系統的に調べた。具体的には100ppm程度の希薄な界面活性剤(塩化セチルトリメチルアンモニウム)と対イオンとして同モル量のサリチル酸ナトリウムを溶解した水を作動流体とし、歳差球体内に維持される乱流の(自転軸に垂直な中心断面における)平均流速および強度分布を粒子画像流速測定により評価し、そのパラメタ(自転の強さを表すレイノルズ数、歳差の強さを表すポアンカレ数、および界面活性剤濃度)依存性を定量化した。その結果、本実験で用いた容器の大きさ(半径90mm)および自転角速度の大きさ(数rad/s程度)に対しては乱流変調が球体中心部に限られ、(強い乱流が維持される場合に観察される)境界近傍の特徴的な大規模渦はほとんど変調されないことが明らかとなった。この実験結果はこの界面活性剤水溶液による乱流変調の物理機構解明の足掛かりになるとともに、この系の混合器等への応用を考える際にも重要な知見となる。なぜならば、被混合液体が非ニュートン性を有していてもこの系の乱流混合過程の骨格をなす大規模渦が変調されないということは、非ニュートン性の混合効率への影響が小さいことを示唆するためである。またレオメータを用いて、この界面活性剤水溶液のせん断粘度のせん断速度への依存性を精度よく測定し、せん断粘度の特異的なふるまいが見られるせん断速度の範囲を確認した。さらに歳差球体内に維持されるニュートン流体の乱流のスペクトル法による直接数値シミュレーションを実行し、その混合過程の詳細を明らかにした。とくに初期に分離した二流体の完全な混合に要する時間が最短となるパラメタを明らかにした。この結果も上述の応用を考える上での重要な知見であり、また非ニュートン性の乱流混合過程への影響を考慮する際の基盤を与える。
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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
粒子画像流速測定による室内実験研究はおおむね順調に進展している。また、数値シミュレーション研究についてもニュートン流体に対する解析が進んでおり、次年度は計画通り非ニュートン性の取り扱いに着手できる見込みである。ただし回転系におけるレーザードップラー流速計による計測については解決すべき技術的問題が残されている。
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| Strategy for Future Research Activity |
室内実験におけるレーザードップラー流速計による計測に関する技術的な問題をまず克服する。その他は当初の計画通りに室内実験研究、理論研究、数値シミュレーション研究を相補的に進める。
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| Expenditure Plans for the Next FY Research Funding |
上述のレーザードップラー流速計による計測に遅れがあることが、当該助成金が生じた主な理由である。次年度当初にこの技術的問題を解決するための設備および消耗品費としてこれを使用する計画である。
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