| 研究課題/領域番号 |
22K18769
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| 研究種目 |
挑戦的研究(萌芽)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
巽 和也 京都大学, 工学研究科, 准教授 (90372854)
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| 研究期間 (年度) |
2022-06-30 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
6,370千円 (直接経費: 4,900千円、間接経費: 1,470千円)
2023年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円)
2022年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
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| キーワード | マイクロ流路 / 確率事象 / 粒子流れ / 沸騰 / 格子状流路 / 流路閉塞 / 圧力損失 / 壁面温度 / 確率論 / 決定論 / 流動特性 / 粒子充填 / 数理モデル / 対流伝熱 / 確率連結 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
流体デバイス，熱交換器，血管系等は分岐・合流する多数の流路から構成され，流路にて物質濃度と流体粘度の変化・閉塞・ホットスポット・沸騰のような確率的な現象が局所的に発生する．ランダムに発生するこれらの事象は流路全体の連結構造と対流により，相互干渉しながら時間発展し，流路全体の特性と性能に影響を及ぼす．本研究では，流路の決定論的性質と“ゆらぎ”の確率論的性質の複合的な現象に関して，確率微分方程式にパーコレーション理論やWeibull統計分布等を適用した新たな“Compact”数理モデルを開発し，実験的検証に基づく流動・伝熱特性の空間・時間的特性の評価法および新たな流路設計指針を提示する．
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| 研究実績の概要 |
マイクロ流路内の確率論の事象を伴う現象における局所と全体の特性評価と，その数理モデル開発として，確率連結を有するマイクロ流路内での粒子流れと沸騰現象の計測を行った．マイクロ流路では局所でランダムに発生する事象と流路全体の関係を可視化し，基礎的な数理モデルで定式化できるように，周期的な構造を持つ格子状流路を用いた．粒子流れでは格子状流路での粒子による格子充填と流路閉塞の時間変化および流量・圧力損失との関係を測定した．沸騰では，気泡の発生・成長・合体の可視化，および導電膜によるジュール発熱と赤外線サーモグラフィカメラを用いた壁面温度と熱伝達率の測定を行った．導電膜には計測精度を高めるため熱放射率が高い材料を用い，流動と過熱度の条件を適切に設定することで5マイクロメーターの空間分解能で温度分布を求める計測系を製作した．そして現象を一元的に表すサーマルコンパクトモデルとしての数理モデルの検証を行うため，流動・伝熱・粒子と気泡の運動・流路閉塞に関する数値解析プログラムの開発を行った．数値解析では流路の粒子および気泡発生による格子ごとの充填・閉塞は確率論の事象として適用する一方，決定論的要素として流路閉塞による流れや壁面温度の変化を解き，それに基づく各格子での粒子・沸騰による充填や成長の発生確率を変化させたモデルを開発した．そして実験と数値解析の結果を，従来の多孔質体や流路での粒子充填に基づく流動・圧力損失に関するモデルを用いて計算した場合と比較した．その結果，充填初期では両者に大きな違いは見られないが，時間の経過とともに充填領域の形状と拡大の特性が両者で大きく異なり，それに合わせて圧力損失や壁面温度の増加率で乖離が見られ，決定論を考慮した場合の方が流路閉塞やドライアウトに要する時間が短くなることが分かった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
格子状マイクロ流路の製作および流動と可視化の実験系は完成しており，粒子流れにおける粒子充填と流路閉塞の実験では，粒子選定と流路壁のコーティング等の各条件の調整できている．数値解析では，粒子充填や沸騰などの局所の確率論的事象を確率関数で表現する一方，流路内の流動解析にこれらが周囲の流れ場に与える影響を適用することで，確率論と決定論の現象に関する連成解析を可能とした．両者の比較を行うことで流量・圧力損失と時間の関係に対する決定論による影響をコンパクトな数理モデルで表現すべく確率統計関数を改良している．
格子状マイクロ流路での沸騰（気泡の生成・成長・連結・剥離）の実験でも，流路下壁に熱放射率が高くジュール発熱も大きい導電膜（電極）の材料の選定と成膜を行い，通電加熱による沸騰を伴う流路と実験系を製作した．そして赤外線サーモグラフィカメラによる加熱壁（導電膜）の表面温度を高い空間・温度分解能で測定できる実験装置を製作した．これにより流路内の沸騰に伴う壁面温度変化を測定し，気泡の生成・成長との関係を考察している．測定を進める中で研究代表者の所属が変更となったため，実験装置の移転が必要となり，実験の遅れが発生し，予定終了年度の次の年度に研究計画を延長・繰り越ししている．
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| 今後の研究の推進方策 |
粒子流れの粒子充填や沸騰の気泡生成と流路閉塞については，数値解析モデルにて，これまで準非定常計算を適用していたのを非定常計算に改良する．計算および実験との比較を行い，確率論と決定論的現象の差異の検証と，両現象の融合による全体特性とその時間発展に関するモデル化を行う．マイクロ流路での沸騰の実験では，壁加熱，流路の温度制御，脱気，気泡と流れの可視化，壁面温度計測に関する各機構は実験装置に実装しており，赤外線サーモグラフィカメラの測定分解能の向上も成功している．一方，壁面温度分布の空間分解能については，実験と壁の熱伝導を考慮したIRカメラの測定分解能とでは一桁の差が見られ，その原因解明も進める．
マイクロ流路での沸騰では，気泡生成・成長の観察，および壁面温度計測を適切に行えるように，実験条件に一定の制限を設ける必要がある．そのために，流路寸法，流量，過熱度と加熱量，流路入口の流体温度に関する条件の絞り込みを終わらせ，実験データを取得する．合わせて，格子における気泡の捕獲性能を増大させて確率論と決定論的現象の差別化を顕著にするため，格子状流路の形状を改良して，製作と実験を行う予定である．これらの実験にて，流量または圧力損失の時間発展特性をランダムな確率論的事象のみに基づくモデルで求めたものと比較することで，確率論と決定論的現象を融合したモデルを構築する．これらに加えて，気泡発生に伴う壁面温度の変化と周囲の沸騰（気泡発生・成長）に与える影響を検証し，沸騰現象の理解の深化につながる知見を収集する．
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