複雑流体中を上昇する気泡に発現する気液界面のゆらぎと不連続・非線形運動の解明
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22K03928
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | The University of Tokushima |
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Principal Investigator |
太田 光浩 徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 教授 (00281866)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
岩田 修一 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (00293738)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,990,000 (Direct Cost: ¥2,300,000、Indirect Cost: ¥690,000)
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| Keywords | 気泡上昇運動 / 界面揺動 / 非線形運動 / 粘弾性特性 / pHレベル / 粘弾性流体 / 不連続運動 |
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| Outline of Research at the Start |
アルカリ溶解性会合高分子(HASE)溶液中を気泡が上昇する際に，気液界面が，突然にゆらぎ(揺動)，それがトリガーとなり気泡が不連続・非線形運動する流体界面現象の発現メカニズムを明らかにする．まず，気泡の気液界面が大きく突然ゆらぐダイナミックな界面現象を詳細に調べ，最終的に界面のゆらぎと気泡の不連続・非線形挙動の関係を明白にする．HASE溶液が持つ弾性効果がこれらの特徴的な現象を誘起させる要因をHASE溶液の分子組成や分子構造と関連付け，マイクロからマクロまでの階層スケールで考察を行う．HASE溶液が持つ弾性効果を記述する流体力学(物理)モデルを検討・構築する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
アルカリ溶解性会合高分子(HASE)水溶液を上昇する気泡では，HASE水溶液の粘弾性効果により気泡底部から様々な伸長形状が形成され，伸長形状部でマイクロスケールの自己組織構造が発現することを調べてきた．炭酸ナトリウム(Na2CO3)を添加してHASE溶液を調整すると，HASE溶液中を上昇する気泡は，マイクロスケール構造を有しつつ，界面揺動が発生し，不規則な非線形上昇運動が発現することが発見された．本年度は，上昇気泡に発現する界面揺動現象・非線形上昇運動への溶液のpHレベルの影響について詳細に調べた．
pH=10.5に調整した 0.9，11 および 21 Pa・s のゼロ剪断速度粘度をもったHASE水溶液中を上昇する気泡運動を広範囲の気泡径条件に対して調べた．ゼロ剪断速度粘度が 0.9 Pa・s の溶液(低粘度系)では，気泡の界面が突然揺動する特徴的な現象は発現しなかった．0.9 Pa・s の溶液は，HASE濃度が薄いことに対応しており，HASEの量が少ないと特徴的な現象が現れないことを確認できた．一方，ゼロ剪断速度粘度が 11 および 21 Pa・s の溶液では，気泡径が 20 mm 程度以上になると気泡の界面が突然揺動する特徴的な現象が観察された．揺動現象が発生すると気液界面上を揺動が伝播し，気泡の上昇軌跡が突然変化する運動や上昇運動が突然に加速すると言った不連続な複雑運動が観察された．気泡径が大きくなるほど，この現象は顕著になった．これらの運動は，HASE溶液をpH=9で調整した場合でも観察されたが，pH=10.5で調整した場合，揺動現象の発現確率が大幅に上り，気泡の不連続運動はよりダイナミックとなった．
以上より，アルカリ性が強い溶液ほど，特徴的な気泡運動が発生しやすく，またよりダイナミックになることが分かった．
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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
溶液のpHレベルが上昇気泡に発現する界面揺動現象・非線形上昇運動へ及ぼす影響を予定通りに調べることができ，計画通りに研究が進展している．
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| Strategy for Future Research Activity |
引き続き上昇気泡に発現する界面揺動現象・非線形上昇運動に焦点を当てて実験を行う．これまでの実験では，バックライト(照明)の問題で，気泡界面の揺動現象が明確に撮影できない場合があった．これを解決するために実験での照明システムを一新した．新しいシステムにより，再度，pH＝9および11に調整した高濃度系のHASE溶液を用いて実験を行い，よりクリアな映像から上昇気泡に発現する界面揺動現象・非線形上昇運動の発現条件(気泡径や溶液濃度)の明確化，界面揺動・非線形上昇運動の特徴やそのメカニズムについて詳細検討を行う．
また，この現象は炭酸塩で中和した場合に発生する可能性があり，炭酸カリウム(K2CO3)で調整したHASE溶液での実験も計画し，炭酸イオンの影響に関する考察も行う．
令和5年度に得られた成果：国際会議と国内学会にて発表する予定である．
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Report
(2 results)
Research Products
(4 results)
