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反応性成分を含む溶液中の弾性膜構造物群による熱物質輸送に関する数値的研究

研究課題

研究課題/領域番号 13J06473
研究種目

特別研究員奨励費

配分区分補助金
応募区分国内
研究分野 流体工学
研究機関大阪大学

研究代表者

宮内 優  大阪大学, 工学研究科, 特別研究員(DC2)

研究期間 (年度) 2013-04-01 – 2015-03-31
研究課題ステータス 完了 (2014年度)
配分額 *注記
1,800千円 (直接経費: 1,800千円)
2014年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
2013年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
キーワード数値シミュレーション / 流体構造連成問題 / 物質輸送 / 有限要素法 / 数値計算 / 膜輸送 / 濃度拡散
研究実績の概要

生体膜による物質輸送の定量的な予測は医療応用に関連して重要である。本研究では、流体と柔軟膜の相互作用問題に加えて濃度拡散、化学反応を扱うことができる計算手法の開発を目的とした。生体膜は流体力により容易に変形し、かつ、特定の物質のみを透過させる選択的透過性を有している。このような移動境界上に透過流束に関する条件を与える問題は難しく、未だその数値計算技術は発展途上である。本研究では膜の移動・大変形を取り扱うために膜形状に沿わない流体格子を用いた手法(界面非適合格子法)が有効であると考え、界面非適合格子法による手法の構築を行った。また、物質の膜透過に関して、膜表裏の圧力差と濃度差によって膜を透過する物質流束が生じるモデルを採用した。膜形状に沿わない流体格子で、流体変数(濃度、圧力、速度勾配)の不連続を考慮するために膜表裏の不連続量を組み込んだ有限要素離散式を提案した。この離散化法により、ひとつの流体要素内にシャープな不連続が再現可能となっている。さらに、その不連続量を陰的に扱うことにより、溶質の透過と不透過の両方の性質を示す膜を再現できる手法となっている。溶媒の透過と不透過に関しては検証問題によって提案手法の妥当性を確認し、既存の手法と比べることにより提案手法の優位性を示した。本研究では開発した手法は界面非適合格子法の枠組みで構築されており,柔軟な膜や複数の膜に対する扱いが容易であるといった特長を有する.さらに,溶媒・溶質の透過と不透過の両方を同じ計算アルゴリズムで扱うことのできる汎用性の高さを備えている.当初の計画予定である、化学反応の取り扱いおよび赤血球による物質輸送問題への適用までの研究遂行には至らなかったが、そのベースとなる手法を開発することはできた。

現在までの達成度 (段落)

26年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

26年度が最終年度であるため、記入しない。

報告書

(2件)
  • 2014 実績報告書
  • 2013 実績報告書
  • 研究成果

    (6件)

すべて 2015 2014 2013

すべて 雑誌論文 (2件) (うち査読あり 2件、 オープンアクセス 2件、 謝辞記載あり 2件) 学会発表 (4件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] A numerical method for mass transfer by a thin moving membrane with selective permeabilities2015

    • 著者名/発表者名
      Suguru Miyauchi, Shintaro Takeuchi, Takeo Kajishima
    • 雑誌名

      Journal of Computational Physics

      巻: 284 ページ: 490-504

    • DOI

      10.1016/j.jcp.2014.12.048

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [雑誌論文] Fixed-mesh approach for different dimensional solids in fluid flows: application to biological mechanics2014

    • 著者名/発表者名
      Suguru Miyauchi, Azusa Ito, Shintaro Takeuchi, Takeo Kajishima
    • 雑誌名

      Journal of Mechanical Engineering and Sciences

      巻: 6 ページ: 818-844

    • DOI

      10.15282/jmes.6.2014.9.0079

    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] Fluid-structure interaction dealing with thin objects2015

    • 著者名/発表者名
      Suguru Miyauchi, Takeo Kajishima
    • 学会等名
      The 18th International Conference on Finite Elements in Flow Problems (FEF2015)
    • 発表場所
      Taipei(Taiwan)
    • 年月日
      2015-03-16 – 2015-03-18
    • 関連する報告書
      2014 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] Numerical Modeling of Biological Fluid-Structure Interaction Involving Contact of Elastic Objects and Concentration Diffusion through Permeable membrane2013

    • 著者名/発表者名
      宮内優
    • 学会等名
      EUROMECH/ERCOFTAC Colloquium 549
    • 発表場所
      Leiden, The Netherlands
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] Numerical Simulation of Diffusion through Permeable Membrane Usingan Unconformable Mesh2013

    • 著者名/発表者名
      宮内優
    • 学会等名
      5^<th> Asia Pacific Congress on Computational Mechanics and 4^<th> International Symposium on Computational Mechanics
    • 発表場所
      Singapore, Singapore
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書
  • [学会発表] 透過膜における濃度ジャンプを考慮した有限要素離散化による拡散の数値シミュレーション2013

    • 著者名/発表者名
      宮内優
    • 学会等名
      日本機械学会 第26回バイオエンジニアリング講演会
    • 発表場所
      仙台、宮城
    • 関連する報告書
      2013 実績報告書

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公開日: 2014-01-29   更新日: 2024-03-26  

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