2014 Fiscal Year Research-status Report
粉粒体での相分離と対流のクロストーク：散逸粒子系の非平衡物理
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26800201
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| Research Institution | Chiba University |
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Principal Investigator |
稲垣 紫緒 千葉大学, 理学(系)研究科(研究院), 日本学術振興会特別研究員(RPD) (20452261)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 非平衡・非線形物理学 / 非平衡散逸系 / 粉粒体物理学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大きさや形の異なる複数の種類の粉粒体を容器に入れ、機械的刺激によって擾乱を与えた際に誘起される分離現象の時空間ダイナミクスについて、実験と理論の両面から研究を行った。水平に置いた円筒容器に大きさや形の異なる2種類の粒子を封入して回転させると、粒子が縞々の状態にバンドを形成して分離する現象が観察されている。これまで、充填率が50%程度の実験は数多く行われており、その時空間ダイナミクスについて、複数のバンドが初めに現れ、時間とともにバンドが結合していく単調緩和のダイナミクスが起こることが知られていた。この場合、粒子の分離は円筒容器内で粒子が斜面流を起こしながら流れることによって駆動される、というのが通説であった。しかし、なだれを起こす空間がほとんど存在しない、充填率ほぼ100%の場合でも分離現象が起きることを実験的に示した。さらに、円筒容器を二重円筒にして同様の実験を行い、バンドが充填率と回転速度に依存して、いくつかのパターンダイナミクスが現れることが分かった。充填率が低いときは、一重円筒同様の単調緩和や進行波が現れ、充填率の高い領域では振動するバンドが現れることを新規に発見した。この結果は2015年1月にPhysical Review E (Rapid Communications)に論文が受理されている。
この実験の発展として、バンドのダイナミクスにおける斜面流の役割を明らかにするため、直方体の容器に二種類の砂を入れ、水平方向に加振する実験を現在進めている。この場合、円筒容器でみられたようなバンドを形成して、さらに結合していく単調緩和のダイナミクスが観察された。横加振によって、容器内上層部の粒子が流動化し、流動層が下の固化した層から受けるずり応力で分離を起こすと考えられる。今後はこの系の実験をさらに進め、バンドのダイナミクスについての知見を深めていく。
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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
二重円筒容器における、回転ドラムの分離現象について、振動現象という新たなパターンダイナミクスを発見し、その結果は2015年1月にPhysical Review E (Rapid Communications)に論文が受理された。さらに、これまでの実験系を発展させ、容器を直方体にすることによって、粉粒体の分離現象における斜面流とそのずり応力の役割を定量的に評価することを試みている。粉粒体の分離現象について、そのメカニズムの理解を深める重要な知見が得られたことから、研究は当初の計画通りおおむね順調に進展していると言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
円筒容器におけるサイズ分離現象の実験の発展として、バンドのダイナミクスにおける斜面流とそのずり応力の役割を明らかにするため、直方体の容器に二種類の砂を入れ、水平方向に加振する実験を現在進めている。この場合、円筒容器でみられたようなバンドを形成して、さらに結合していく単調緩和のダイナミクスが観察された。横加振によって、容器内上層部の粒子が流動化し、流動層が下の固化した層から受けるずり応力で分離を起こすと考えられる。粒子のサイズや表面の荒さなどを変えることで、流動化した粉体層が受けるずり応力がサイズ分離にどのような役割を果たしているのか、明らかにしていく。今後はこの系の実験をさらに進め、バンドのダイナミクスについての知見を深めていく。
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