2016 Fiscal Year Annual Research Report
Microscopic interpretation of concentration interface and active control of particulate suspension system
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26420095
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
原田 周作 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80315168)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 恭史 関西大学, システム理工学部, 教授 (90330175)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 流体力学 / 粒子分散系 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体中に不均一に分散した固体微粒子の重力沈降挙動に関する研究を行い，その動的な集団性について解明するとともに，沈降速度や流路中の分散挙動を能動的に制御することを目的とした研究を行った．濃度界面（粒子懸濁部と純粋液体との間に形成される見かけ上の界面）近傍における粒子運動について調べるために，沈降実験，線形安定性解析および2種類の数値計算を実施した．数値計算は，巨視的な懸濁液の挙動に関してfront-tracking法，離散体としての粒子の沈降挙動に関してpoint force modelに基づく手法を用いた解析を行った．実験，数値解析，安定性解析の結果から，懸濁部への浸透流がどの程度存在するのかなどを調べることにより，濃度界面の遮蔽性に関する微視的な考察を行った．
本研究の結果から，粒子の集団性が大きな条件では，濃度界面近傍において個々の粒子が引き起こす流れが外部流体の侵入を遮蔽することにより懸濁粒子の集団性が保持されること，濃度界面が動力学的に混和界面と不混和界面の両方の性質を併せ持つことなどが明らかになった．
さらに，岩盤亀裂や多孔質体など自然界や工学分野で重要となる複雑流路中の粒子沈降挙動に関する研究を行った．フラクタル形状を有する3次元複雑流路を用いた実験を行った結果，懸濁粒子の集団性が顕著な場合は，複雑流路中で懸濁粒子は周囲流体と不混和にふるまい，下部液体との体積置換にともなって形成される対流により沈降が大きく促進されることがわかった．さらにフラクタル流路中における粒子分散挙動のモデル化を行い，流路のフラクタル特性量のみで表される粒子占有率の時間変化モデルを構築した．
以上の結果から，粒子の懸濁条件や流路の幾何学特性から，液中粒子の沈降速度や分散挙動を定量的に予測し，能動的に制御を行う手法を確立する指針を得た．
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