Development of Intelligent Rheometry Designed by 2-D Ultrasonic Velocity Profiler

• Project/Area Number: 18J20516
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 芳田 泰基 北海道大学, 工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2018-04-25 – 2021-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2020)
• Budget Amount: ¥2,800,000 (Direct Cost: ¥2,800,000); Fiscal Year 2020: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2019: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2018: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: レオロジー / 流体計測 / 超音波 / 計測手法

Outline of Annual Research Achievements

産業・学理の多分野に最も広く利用される市販レオメータの原型は、二百年以上前に完成されており、ラボレベルの分析に用いられるトルク式の市販レオメータは、高い計測精度を実現している。一方、計測確度の保証にはいくつかの仮定が満たされる必要があるが、多くの非ニュートン性流体ではそれが満たされないことが多い。最たる要因として、測定対象物質と回転子壁面との間での滑りや、局所剪断層の発現、弾性的不安定性などが数多く報告されている。これらはすべて「流動」に起因する現象である。市販レオメータのユーザーの多くには認知されておらず 、出力結果が盲信されている現状がある。この場合、レオメータにおける幾何設計固有の応答のみが計測され、得られる物性の実用性が乏しい。流体挙動を直接計測し、物性値の導出を試みる新たな手段が求められている。本研究では、速度分布計測と運動方程式に基づく運動学的レオメトリ (Kinematic を提案し、確立を目指す。これは、複雑流体のダイナミクスに対して、運動方程式を満たすようなレオロジー物性を逆算・定量化することができる。
本年度は、非ニュートン性流体に適用可能な超音波スピニングレオメトリUSR を可搬型の技術として昇華させた。以前のUSRにおける計測方式では、サンプルを１L程度取り出す必要があったが、その必要がなくなり、貯蔵タンク内で計測を行うことができるようになった。現在、当該技術とインラインレオメータ技術の双方について論文における発表を控えている状況である。今後は、これら特許技術を足掛か りとして、企業・医療機関等と共同で開発研究を進めている計画を立てており、化学工業と食品工業、並びに医療研究機関とすでに計画がある。レオメータとしてのプロトタイプを完成させるとともに、即時産業応用可能なツールを開発するのが、今後の直近目標である。

Research Progress Status

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和2年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] スイス連邦工科大学チューリッヒ校(スイス)
• [Journal Article] Rheometric Test for Multiphase Fluids by Means of Ultrasonic Spinning Rheometry (2020)
  • Author(s): 芳田泰基，田坂裕司，大家広平，村井祐一
  • Journal Title: JAPANESE JOURNAL OF MULTIPHASE FLOW Volume: 34 Issue: 2 Pages: 334-341
  • DOI: 10.3811/jjmf.2020.T009
  • NAID: 130007872610
  • ISSN: 0914-2843, 1881-5790
  • Year and Date: 2020-06-15
• [Journal Article] Evaluation on time variation of effective viscosity by ultrasonic spinning rheometry (Application to separating oil-water mixture) (2020)
  • Author(s): 大家広平，芳田泰基，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • Journal Title: Transactions of the JSME (in Japanese) Volume: 86 Issue: 890 Pages: 20-00242-20-00242
  • DOI: 10.1299/transjsme.20-00242
  • NAID: 130007930463
  • ISSN: 2187-9761
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Ultrasonic spinning rheometry test on the rheology of gelled food for making better tasting desserts (2019)
  • Author(s): Yoshida Taiki、Tasaka Yuji、Fischer Peter
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 31 Issue: 11 Pages: 113101-113101
  • DOI: 10.1063/1.5122874
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Effective viscoelasticity of non-Newtonian fluids modulated by large-spherical particles aligned under unsteady shear (2019)
  • Author(s): T.Yoshida, Y.Tasaka, Y.Murai
  • Journal Title: Physics of Fluids Volume: 31 Issue: 10 Pages: 103304-103304
  • DOI: 10.1063/1.5119335
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Efficacy assessments in ultrasonic spinning rheometry: linear viscoelastic analysis on non-Newtonian fluids (2019)
  • Author(s): T.Yoshida, Y.Tasaka, Y.Murai
  • Journal Title: Journal of Rheology Volume: 63 Issue: 4 Pages: 503-503
  • DOI: 10.1122/1.5086986
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 流動による流体の内部構造変化の可視化 超音波流速分布計測を用いた複雑流体のレオロジー物性評価 (2019)
  • Author(s): 田坂裕司 , 芳田泰基 , 村井祐一
  • Journal Title: ながれ Volume: 38
• [Journal Article] Inner structure visualization of fresh fruits utilizing ultrasonic velocity profiler (2018)
  • Author(s): Yoshida Taiki、Tasaka Yuji、Park Hyun Jin、Murai Yuichi、Teramura Hiroki、Koseki Shigenobu
  • Journal Title: Journal of Visualization Volume: 21 Issue: 2 Pages: 253-265
  • DOI: 10.1007/s12650-017-0457-z
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Linear viscoelastic analysis using frequency-domain algorithm on oscillating circular shear flows for bubble suspensions (2018)
  • Author(s): Y.Tasaka, T.Yoshida, R.Rapberger, Y.Murai
  • Journal Title: Rheologica Acta Volume: 57 Issue: 3 Pages: 229-240
  • DOI: 10.1007/s00397-018-1074-z
  • NAID: 120006558990
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Rheological properties of montmorillonite dispersions in dilute NaCl concentration investigated by ultrasonic spinning rheometry (2018)
  • Author(s): Yoshida T.、Tasaka Y.、Tanaka S.、Park H.J.、Murai Y.
  • Journal Title: Applied Clay Science Volume: 161 Pages: 513-523
  • DOI: 10.1016/j.clay.2018.05.017
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Accuracy and Robustness Evaluations on Algorithms of Ultrasonic Spinning Rheometry (2018)
  • Author(s): Taiki Yoshida, Yuji Tasaka, Hyun Jin Park, Yuichi Murai
  • Journal Title: Proceedings of the 11th International Symposium on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering Volume: 1 Pages: 67-70
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 超音波流速分布計測による過渡的レオロジー物性の評価 (2021)
  • Author(s): 田坂裕司，芳田泰基，大家広平，村井祐一
  • Organizer: 日本化学工学会
• [Presentation] レオロジーマップによる高分子溶液の多角的粘弾性評価 (2021)
  • Author(s): 大家広平，芳田泰基，朴炫珍，田坂裕司，村井祐一
  • Organizer: 日本化学工学会
• [Presentation] 超音波スピニングレオメトリを用いた水油混合液の分離過程に おける実効粘度評価 (2020)
  • Author(s): 大家広平 , 芳田泰基 , 朴炫珍 , 田坂裕司 , 村井祐一
  • Organizer: 第98期流体工学部門講演会
• [Presentation] 非定常剪断下における分散粒子を含む非ニュートン流体の実効粘弾性 (2020)
  • Author(s): 芳田 泰基 , 田坂 裕司 , 村井 祐一
  • Organizer: 第98期流体工学部門講演会
• [Presentation] 超音波流速分布計測によるインラインレオメータの実用性検証 (2020)
  • Author(s): 田坂裕司 , 芳田泰基, 村井祐一
  • Organizer: 第98期流体工学部門講演会
• [Presentation] 超音波スピニングレオメトリを用いた粘弾性流体の拡張表現 (2020)
  • Author(s): 大家広平 , 芳田泰基 朴炫珍 , 田坂裕司 , 村井 祐一
  • Organizer: 日本流体力学会年会
• [Presentation] Particle alignment under unsteady shear in non-Newtonian fluids causing modulations of effective viscoelasticity (2019)
  • Author(s): Taiki Yoshida , Yuji Tasaka , Yuichi Murai
  • Organizer: DFD19 Meeting of the American Physical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超音波を用いた非侵襲インラインレオメータ (2019)
  • Author(s): 田坂裕司, 芳田泰基, 村井祐一
  • Organizer: 第97期 流体工学部門講演会
• [Presentation] 剪断流における分散気泡を含む液体のレオロジー評価 (2019)
  • Author(s): 田坂 裕司 , 芳田 泰基 , 村井祐一
  • Organizer: 混相流シンポジウム2019
• [Presentation] An idea to contactless in-line rheometry using ultrasonic velocity profiling (2019)
  • Author(s): Yuji Tasaka , Taiki Yoshida , Yuichi Murai
  • Organizer: 8th International Symposium on Food Rheology and Structure (ISFRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rheological and inner structural assessments for complex materials using ultrasonic spinning rheometry (2019)
  • Author(s): Taiki Yoshida, Yuichi Murai, Yuji Tasaka
  • Organizer: 8th International Symposium on Food Rheology and Structure (ISFRS)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rheological evaluations and capability assessments of ultrasonic spinning rheometry for non-Newtonian fluids (2019)
  • Author(s): Taiki Yoshida, Yuichi Murai, Yuji Tasaka
  • Organizer: AERC 2019 - The Annual European Rheology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Rheological evaluations and capability assessments of ultrasonic spinning rheometry for non-Newtonian fluids (2019)
  • Author(s): Taiki Yoshida, Yuji Tasaka, Yuichi Murai
  • Organizer: AERC 2019 - The Annual European Rheology Conference
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超音波スピニングレオメトリ (2018)
  • Author(s): 田坂裕司, 芳田泰基, Hyun jin Park, 村井祐一
  • Organizer: 第96期流体工学部門講演会
• [Presentation] ステンレス管内を流れる乳製品の超音波診断 (2018)
  • Author(s): 李瑞雪, 芳田 泰基, 人見純平, 澤田航希, Hyun jin Park, 田坂裕司, 村井祐一, Fisher Stephan
  • Organizer: 第96期流体工学部門講演会
• [Presentation] Ultrasonic measurement of milk products flowing in stainless steel pipe (2018)
  • Author(s): Ruixue Li, Taiki Yoshida, Yuji Tasaka, Yuichi Murai
  • Organizer: 8th AECoR Joint Meeting between ETHZ and Hokkaido University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrasonic scan-imaging technology for visualizing internal structures (2018)
  • Author(s): Yuichi Murai, Taiki Yoshida, Hyun Jin Park, Yuji Tasaka
  • Organizer: 8th AECoR Joint Meeting between ETHZ and Hokkaido University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrasonic spinning rheometry - concept and algorithms - (2018)
  • Author(s): Yuji Tasaka, Taiki Yoshida, Yuichi Murai
  • Organizer: 8th AECoR Joint Meeting between ETHZ and Hokkaido University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Capability assessments of ultrasonic spinning rheometry for non-Newtonian Fluid (2018)
  • Author(s): Taiki Yoshida, Yuji Tasaka, Yuichi Murai
  • Organizer: 8th AECoR Joint Meeting between ETHZ and Hokkaido University
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Accuracy and Robustness Evaluations on Algorithms of Ultrasonic Spinning Rheometry (2018)
  • Author(s): Taiki Yoshida, Yuji Tasaka, Hyun Jin Park, Yuichi Murai
  • Organizer: The 11th International Symposium on on Ultrasonic Doppler Methods for Fluid Mechanics and Fluid Engineering
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Ultrasonic velocity profiler (UVP) based pressure estimation method: Vortex shedding downstream of cylinder (2018)
  • Author(s): Neetu Tiwari, Taiki Yoshida, Hyun Jin Park, Yuji Tasaka, Yuichi Murai
  • Organizer: 可視化情報学会 第46回
• [Presentation] ニュートン流体中の分散気泡が与える非ニュートン性評価 (2018)
  • Author(s): 芳田 泰基，田坂 裕司，Hyun Jin Park，村井 祐一
  • Organizer: 混相流シンポジウム2018
• [Presentation] 回転式超音波レオメトリを用いた粘土懸濁液のレオロジー評価 (2018)
  • Author(s): 芳田 泰基，田坂 裕司，Hyun Jin Park，村井 祐一
  • Organizer: 日本レオロジー学会第45年会
• [Remarks] 非ニュートン性流体の粘弾性は粒子の分散状態に影響されるか？
  • URL: https://www.jsme-fed.org/newsletters/2021_4/no3.html#ctop
• [Remarks] Research map
  • URL: https://researchmap.jp/taiki_yoshida_eng/
• [Remarks] Research gate
  • URL: https://www.researchgate.net/profile/Taiki_Yoshida2
• [Remarks] Google scholar
  • URL: https://scholar.google.com/citations?user=txl-C5cAAAAJ&hl=ja
• [Patent(Industrial Property Rights)] 超音波物性測定装置 (2021)
  • Inventor(s): 田坂裕司, 芳田泰基, 大家広平
  • Industrial Property Rights Holder: 田坂裕司, 芳田泰基, 大家広平
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2021
• [Patent(Industrial Property Rights)] 非接触型レオロジー物性計測装置、システム、プログラムおよび方法 (2019)
  • Inventor(s): 田坂裕司，芳田泰基，村井祐一
  • Industrial Property Rights Holder: 田坂裕司，芳田泰基，村井祐一
  • Industrial Property Rights Type: 特許
  • Filing Date: 2019