研究課題/領域番号 |
21K03877
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研究種目 |
基盤研究(C)
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配分区分 | 基金 |
応募区分 | 一般 |
審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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研究機関 | 鳥取大学 |
研究代表者 |
土井 俊行 鳥取大学, 工学研究科, 准教授 (00227688)
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研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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配分額 *注記 |
1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2023年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2022年度: 390千円 (直接経費: 300千円、間接経費: 90千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
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キーワード | 分子気体力学 / マイクロ潤滑 / 偏心円筒間流れ / 非連続体効果 / 平均自由行程 / 曲率 / 希薄気体流 / マイクロマシン / 潤滑 |
研究開始時の研究の概要 |
気体分子の平均自由行程程度(0.1ミクロン以下)よりも狭い超微小隙間の潤滑を記述する巨視的潤滑方程式を、気体分子運動論に基づいて導出する。特に、2つの壁面が任意の温度分布を有する場合において、隙間と温度分布の広い範囲で妥当な方程式を導く。導かれた方程式の妥当性は、気体分子運動論に基づく直接数値計算と比較することによって検証する。
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研究実績の概要 |
令和4年度は、気体分子の平均自由行程(0.1ミクロン)程度の狭い隙間を持つ回転偏心円筒間の気体潤滑問題を気体論で調べた。その前年度(令和3年度)は、微小隙間の気体潤滑系における非連続体効果の物理的側面に注目していたため、より簡単な同心円筒間の問題を取り上げた。しかし、マイクロテクノロジーへの応用上は、偏心円筒間の潤滑問題がより重要である。令和4年度は、前年度に築き上げた解析法を拡張し、偏心円筒間潤滑系に適用できる潤滑理論を構築した。また、理論の検証のためボルツマン方程式の直接数値解析も平行して行った。結果として、理論と数値計算の完全な一致を確認した。ボルツマン方程式の直数値計算の計算コード開発には膨大な時間がかかったが、その副産物として、潤滑問題に限らず、偏心円筒間領域における希薄気体の流れの問題に広く適用できる汎用性の高い計算コードを構築することもできた。 以上の成果は、論文 "Generalized Reynolds equation for microscale lubrication between eccentric circular cylinders based on kinetic theory" にまとめて2023年1月22日にJournal of Fluid Mechanics 誌に投稿した。2023年4月28日の時点では査読中である。また、令和3年度に出版された論文(Effect of a small curvature of the surfaces on microscale lubrication of a gas for large Knudsen numbers, Physical Review Fluids, 7, 034201 (2022))は、出版時(2023/3)科学研究費が使えない時期であったためオープンアクセス化していなかったが、今年度オープンアクセス化した。
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究自体は予定より1か月以上先行しているが、論文を投稿したjournalが査読に3か月以上かかるため、成果が遅れている。
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今後の研究の推進方策 |
令和4年度は偏心円筒間潤滑理論の基礎方程式を導出し、その妥当性を検証した。ボルツマン方程式の直接計算に勝るこの潤滑方程式の長所は、(1) 必要な計算規模が圧倒的に小さいことと、(2) 潤滑方程式は従来からの潤滑理論の方程式と類似しているため、必要な数値データさえ提供されれば、気体論の専門知識がなくても容易に使いこなせることである。一方、この潤滑方程式を使うためには、必要な数値データを広い範囲でデータベース化して提供する必要がある。令和5年度はこのデータベースの拡充を行う。これを成し遂げれば、多くの技術者が本潤滑方程式を容易に使えるようになる。
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