| 研究課題/領域番号 |
22K03900
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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19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 東京農工大学 |
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研究代表者 |
長津 雄一郎 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60372538)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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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 |
4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円)
2024年度: 1,560千円 (直接経費: 1,200千円、間接経費: 360千円)
2023年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
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| キーワード | Viscous fingering |
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| 研究開始時の研究の概要 |
研究代表者らは、初めて部分混和系でのViscous fingering(VF)実験を成功させ、多数の液滴を形成するパターンになることを見出し、その起源は、相分離とその相分離の際に自発的に生じる対流（Korteweg効果）であることを提示した。さらに、部分混和系の相分離とKorteweg効果を加味したVFの数値計算研究を行い、多数の液滴を形成するパターンの再現に成功した。また一連の水性二相系を用いる部分混和系VF実験研究では、種々の特異なダイナミクスを明らかにしている。本研究では、先述の実験と数値計算の融合研究を深化させ、相分離とKorteweg効果を伴う部分混和系VFの更なる理解を目指す。
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| 研究実績の概要 |
本研究グループでは部分混和系Viscous fingering (VF)を実験、シミュレーションともに成功させたが、部分混和系においてVFを抑制する知見は得られておらず、課題となっていた。ポリエチレングリコール(PEG)水溶液、硫酸ナトリウム水溶液からなる水性二相系を用いることにより、常温常圧で非混和および部分混和を調製した。それから、多孔質媒質の二次元モデルであるヘレ・ショウセル内で、低粘性液体（硫酸ナトリウム水溶液）で高粘性液体（PEG水溶液）を置換する実験を行った。このとき、PEGの濃度をいくつか変えることで、非混和系に対してより不安定なVFになり液滴を形成するパターンに加えて、VFが完全に抑制されるパターンが得られることを発見した。
このメカニズムを調べるために、先ほどとは逆にまず低粘性液体を満たし、その後で高粘性液体を一定量注入してから流体注入を停止させた静置流体界面を観察した。その結果、VFが不安定化する条件では相分離が生み出す自発流れが硫酸ナトリウム水溶液からPEG水溶液の向きに生じ、VFを抑制できる条件ではその自発流れがPEG水溶液から硫酸ナトリウム水溶液の向きに生じること、加えて非混和系ではその自発流れが生じないことを明らかにした。
これらの実験結果を基に、フィンガーの先端の濃度勾配の方が根元の濃度勾配より大きく、それゆえ自発流れが大きくなるということを仮定すると、自発流れが硫酸ナトリウム水溶液からPEG水溶液の向きに生じるときVFが不安定化し、一方、自発流れがPEG水溶液から硫酸ナトリウム水溶液の向きに生じるときVFを抑制できることを説明できるというメカニズムを提示した。
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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
実験ではVFの安定化に成功したが、その数値計算で再現することはできなかった。
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| 今後の研究の推進方策 |
Radial系数値シミュレーションによる部分混和系VFを完成させる。3成分系部分混和系VFの数値シミュレーションを確立する。3次元条件での部分混和系VF実験を行う。部分混和系VFにおける化学種や物理条件の影響を調査する。2成分系部分混和系VFの数値シミュレーションにおけるKorteweg力の影響を調査する。
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