表面張力勾配により自己駆動する液滴を利用した宇宙居住用水浄化装置の開発
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19K22015
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 24:Aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
岡野 泰則 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90204007)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
稲富 裕光 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50249934)
堀河 俊英 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (90380112)
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| Project Period (FY) |
2019-06-28 – 2022-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥6,370,000 (Direct Cost: ¥4,900,000、Indirect Cost: ¥1,470,000)
Fiscal Year 2020: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000)
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| Keywords | 移動速度論 / マランゴニ対流 / 水浄化 / マランゴニ / 数値解析 / 宇宙居住 / 自己駆動液滴 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では、以下の基本方針に基づき、マイクロプロセスを提案する。
・蒸留という比重差を用いる分離法を、表面張力差流れを利用した分離(蒸留)に置き換える。
・宇宙までの輸送コストと宇宙空間の使用できる空間を考慮すると蒸留塔などの大規模装置
の建造は困難なため、ラシヒリング間の流動をマイクロプロセスで置き換える。
・宇宙環境を利用する機会は極めて限られているため、計算機シミュレーションを活用する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
マランゴニ効果による流路内液滴移動を解析する手法を開発し、数値解析を行い、結果の妥当性を確認した。Young らによる YGB 理論との比較を行ったが、液滴移動速度は理論により与えられる値を下回ってしまった。この結果は、理論では考慮できていない壁面との相互作用が関係していると思われる。このことは、今後、装置のスケール等を考えるうえで、理論式による推算は難しく、本研究で開発した手法を用いて検討をしていくことを示唆している。
単一液滴系において温度差、濃度差のマランゴニ効果を考慮したうえで、目的としていた高温側から低温側へと動く挙動が観察できた。また、凝縮による液滴の生成と温度差マランゴニ効果による液滴の移動を連立した計算モデルの開発に成功した。本計算モデルを 3 次元へと展開し、物質の拡散および濃度差マランゴニ効果を考慮することで、最終的な目標とする水-アンモニア 2 成分系での計算手法構築が達成できると考えており、本研究では指針を示すことができた。
将来的には水-アンモニア 2 成分系でのマランゴニ効果による液滴移動の計算手法構築を達成し、より現実に近づけたうえで、装置設計の指針を提案することを目指す。
上記に加え円柱モデルを用い、濃度差と温度差が自由界面上で同時に存在する際のマランゴニ対流の効果について数値解析を用いて検討を行った。特に不安定性の発現に関してはマランゴニ数が増大する際と減少する際では臨界値が異なることを発見した。このことは実際の液滴移動を考慮した装置設計において極めて重要となりうると考えられる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
コロナの影響により落下塔を使った微小重力実験ができず期間を延長し対応することとしたため。
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| Strategy for Future Research Activity |
数値解析はこのまま推し進めるとともに、落下塔などを用いた微小重力実験を行い、計算結果を実験で検証を行う。
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Report
(2 results)
Research Products
(10 results)
