Development of new vortex dynamics into complex fluid systems focusing on functional structures of vortices
| Project/Area Number |
19KK0127
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| Research Category |
Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Medium-sized Section 27:Chemical engineering and related fields
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大村 直人 神戸大学, 工学研究科, 教授 (50223954)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
堀江 孝史 神戸大学, 工学研究科, 助教 (20513550)
日出間 るり 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (20598172)
増田 勇人 静岡県立大学, 食品栄養科学部, 助教 (90781815)
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| Project Period (FY) |
2019-10-07 – 2023-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2020)
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| Budget Amount *help |
¥18,460,000 (Direct Cost: ¥14,200,000、Indirect Cost: ¥4,260,000)
Fiscal Year 2022: ¥5,070,000 (Direct Cost: ¥3,900,000、Indirect Cost: ¥1,170,000)
Fiscal Year 2021: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2020: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000)
Fiscal Year 2019: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
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| Keywords | 渦動力学 / 複雑流体 / プロセス強化 / マルチスケール解析 / 機能構造 |
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| Outline of Research at the Start |
平成30年度から開始した科学研究費補助金基盤研究（A）「革新的プロセスを創生するプロセス強化技術のための渦動力学の体系化への挑戦」において、化学工学の設計論、操作論に新しい枠組みを与えることを目的に、組織的渦構造を自由自在に操るための渦動力学の体系化を試みている。この研究課題の研究成果を社会実装するためには、単純流体系から複雑流体系への展開が必要不可欠であることから、上記研究の展開研究として、4つの複雑流体（非ニュートン性の強い流体、高濃度粒子分散相を有する混相流体、 粘弾性流体、液滴流体）を設定し、それぞれの流体に対して若手研究者を主担当に置き、渦構造制御に関する研究を遂行する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題では、複雑流体として、1) 非ニュートン性の強い流体、2) 高濃度分散相を有する混相流体、3) 粘弾性流体、4) 液滴流体の4つを取り上げ、それぞれの複雑流体が渦の発生、消滅、サイズ、形状、動特性の制御性にどのような影響を及ぼすのかを明らかにすることを目的とする。本研究では、「渦の動力学(Vortex Dynamics)」を固体集積、混合・反応、分級、輸送といった渦の持つ機能構造に着目し、化学工学的に体系化することを目的とする。
1) 非ニュートン性の強い流体については、ワルシャワ工科大学との共同研究により、テイラー渦セルを研究対象とし、非ニュートン流体反応系としてデンプンの加水分解をとりあげ、内円筒にリブを設置して、渦流動を強化することで、還元糖の収率が向上することを見出した。
2) 高濃度分散相を有する混相流体については、国立台湾大学，北京化工大学と共同研究を行い、ポピュレーションバランスモデルを導入したせん断凝集モデルを構築し、このモデルが撹拌槽内の粒子凝集現象を表現できることを明らかにした。
3) 粘弾性流体については、二次元乱流場における渦の発生について、国立台湾大学等で研究を実施するための基礎データの取得を行った。
4) 液滴流体については、国立台湾大学、香港城市大学との共同研究に向け、液滴内の流動・混合現象の実験結果を、粒子法を用いた数値シミュレーションにより得られた結果と比較検証し、妥当性を評価した。今後粒子法を用いて現象を解析し、国立台湾大学、香港城市大学と議論する予定である。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
4つの研究課題について、2021年度以降に行う予定である、国立台湾大学、香港城市大学等での滞在研究のための準備はほぼ完了しているが、新型コロナウイルス感染拡大により、相手先への訪問、滞在ができておらず、相手機関での研究が実施できていない。オンラインミーティング等により、議論を行っていること、機関内での研究は遅滞なく進めていることから、大きな遅れはないが、相手機関での長期滞在による研究が実施できていないことから、やや遅れていると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
1) 非ニュートン性の強い流体における渦の発生、消滅、動特性の制御について、増田がTung教授と現地滞在またはオンラインを活用して、溶液のミクロ構造に着目したマルチスケール解析を引き続き行い、得られた知見を基に食品プロセスのプロセス強化に関する応用的研究を推進する。
2) 高濃度粒子懸濁系における渦流動と粒子の相互作用の解明について、撹拌槽の粒子集積現象に着目し、大村、増田、博士課程後期課程学生1名が、Tung教授、Wang博士、Cai博士と協働してせん断凝集モデルにより理論解析を行う。
3) 粘弾性流体における渦の発生、消滅、動特性の制御については、日出間が高分子溶液の二次元乱流流れについて、分子動力学と数値流体力学とを連結させたマルチスケールシミュレーションを国立台湾大学等の国際共同研究先にて行う。
4) 振動による液滴内混合制御とLeidenfrost現象を利用した液滴輸送制御については、堀江、博士課程前期課程学生1名が、Leidenfrost現象を利用した液滴の輸送・衝突制御実験をSun教授の研究室に滞在して研究を行う。大村は、Wang博士の研究室でLeidenfrost現象を利用した新しいエネルギーシステムの開発を引き続き検討する。
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Report
(2 results)
Research Products
(23 results)
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[Presentation] Aggregation process of silica micro particles in a two dimensional chaootic mixing field2019
Author(s)
Ochi, Y., Horie, T., Komoda, Y., Tung, K.-L., Ohmura, N.
Organizer
18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019), Sapporo, Japan
Related Report
Int'l Joint Research
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[Presentation] Process optimization of enzymatic hydrolysis of polysaccharide using Taylor-couette flow reactor2019
Author(s)
Matsumoto, M., Masuda, H., Hubactz, R., Shimoyamada, M., Ohmura, N.
Organizer
18th Asian Pacific Confederation of Chemical Engineering Congress (APCChE 2019), Sapporo, Japan
Related Report
Int'l Joint Research
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