| 研究課題/領域番号 |
20K04114
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分17040:固体地球科学関連
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| 研究機関 | 明星大学 |
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研究代表者 |
熊谷 一郎 明星大学, 理工学部, 教授 (50597680)
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| 研究分担者 |
田坂 裕司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946)
益子 岳史 静岡大学, 工学部, 准教授 (70415917)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2022年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2020年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 可視化 / 液体金属 / 熱対流 / 超音波流速分布計 / 感温液晶 / 地球 / 外核 / 可視化実験 / 相変化 / レオロジー測定 / 地球流体核 / 対流 / プルーム |
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| 研究開始時の研究の概要 |
超音波流速分布計や感温液晶を用いた温度場計測などの非侵襲な流体計測技術によって、液体金属プルームの２次元温度場と流速場を同時可視化し、低Prandtl数流体の液体金属プルームの形状やRayleigh-Benard対流における熱物質輸送の物理を実験的に明らかにする。本研究により、地球の外核における液体金属プルームの描像が提示され、その熱流動ダイナミクスの理解が進む。本研究の成果は、地球科学的観測ターゲットの絞り込みや数値計算の信頼性を高めるための重要なレファレンスとなり、地球深部ダイナミクス分野を活性化させる。
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| 研究成果の概要 |
地球流体核内部の熱物質輸送を理解するため、液体金属を用いたレイリー・ベナール対流実験を行った。本研究では、定量的な温度場と速度場を得るため、準２次元的な液体金属層の表面の２次元温度場と流体層内部の１次元速度場について、感温液晶シートと超音波流速分布計を用いた定量可視化実験を行った。その結果、対流パターンはRa数に大きく依存することが明かになった。低Ra数では、流体層全域を定常的に循環する流れが観察されたが、Ra数の増加と共に上昇および下降するプルームの相互干渉によって、流れ場の周期変動が現れ、やがて非周期的な流れ場へと変化することが明かになった。
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
本研究では、液体金属対流の２次元温度場について感温液晶シートを用いることで可視化し、また複数のUVPによる速度場計測と組み合わせることで、液体金属対流の速度場についても同時に可視化することに成功した。これにより、Prandtl数(Pr数)が１よりも十分小さな領域における対流場の変遷（Rayleigh数の増加に伴う定常的な流れから、周期性、非定常性の出現に至るまでの変遷）が明らかになった。これらの結果は、Pr数が１以上の流体で得られた現象とは異なり、低Pr数領域の熱対流による熱物質輸送の理解に役立つ成果である。工学的な応用分野においても、質の良い金属結晶の生成の際、本研究の知見が重要となる。
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