| 研究課題/領域番号 |
22KJ0119
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| 補助金の研究課題番号 |
22J20991 (2022)
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| 研究種目 |
特別研究員奨励費
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| 配分区分 | 基金 (2023)
補助金 (2022) |
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| 応募区分 | 国内 |
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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 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
大家 広平 北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC1)
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| 研究期間 (年度) |
2023-03-08 – 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 |
2,500千円 (直接経費: 2,500千円)
2024年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2023年度: 800千円 (直接経費: 800千円)
2022年度: 900千円 (直接経費: 900千円)
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| キーワード | 流体力学 / レオロジー / 流体計測 / 超音波 / 流れ予測 / 複雑流体 / 気泡 / 流動食品 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，流動食品や高分子溶液に代表される複雑流体の流れ予測を可能にする新たな理論体系の構築を目的とする．複雑流体へ高い適用性を持つ超音波スピニングレオメトリ（USR）を拡張開発し，様々な流れの条件下における流動物性評価を実現する．そこで得られる膨大な流動物性データを直に数値流体力学に活用し，対象流体と流路形状ともに汎用性の高い流れ予測スキームを確立する．USRに必要な微量サンプルをもとに，パイプラインに代表される大規模流動システムの流れ予測を可能にする．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，高分子溶液や混相流体に代表される複雑流体の流れ予測を可能にする新たな理論体系の構築を目的とする．複雑流体のレオロジー計測に高い適用性を持つ流動計測支援型レオメトリを拡張開発し，様々な流れの条件下における物性評価を実現する．そこで得られる物性データを数値計算に活用し，対象流体と流路形状ともに汎用性の高い流れ予測スキームを確立する．
これまでに開発した超音波スピニングレオメトリ（USR）は，試験流体を満たした円筒容器を正弦波状に振動回転させ，超音波流速分布計（UVP）によって内部の時空間流速分布を計測する．この流速情報から運動方程式と構成方程式を介して，実効粘度や粘弾性を評価する．複雑流体に対して高い適用性を持つが，単一周波数成分の振動剪断下での評価に限定されている．
定常剪断や他周波数成分を含む非定常剪断下での物性評価を行うために，昨年度に引続きレオメトリ拡張開発を行った．軸トルク計測が可能な内円筒を取り付けて，UVP計測と同期することで，二重円筒間の各半径位置における歪み速度と応力の対応関係を評価できる．昨年度は定常剪断までであったが，今年度は振動剪断までを扱えるように理論を拡張した．従来のUSRのように構成方程式を必要とすることなく，歪み速度と応力の関係を直接評価できるようになった．
また，USRで得られた粘弾性を数値計算に活用することで，管内の脈動流を再構成し，物性データの流れ予測への適用可能性を示した．また，レオメトリ開発と流れ予測への応用に並行して，これらを非ニュートン性発現の要因解明のための流体物理計測ツールとして習熟させるべく，気泡レオロジー研究に応用した．希薄体積率条件において，粘弾性を3つの無次元数で体系化できることを示し，研究成果はJournal of Fluid Mechanicsにて発表した．
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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
レオメトリ拡張開発については，軸トルク計測が可能な内円筒を挿入することで，壁面応力の計測が可能となる．また，UVP計測を同期することで，二重円筒間の時空間流速分布が得られる．これを運動方程式に代入して壁面応力を境界条件として解くことで，各半径位置での歪み速度と剪断応力の時間応答が評価できる．昨年度は定常剪断，今年度は振動剪断を扱った．手法の妥当性検証として，シリコンオイルとカルボキシメチルセルロース水溶液の計測を行い，標準的なレオメータと一致することが確認できた．また，従来手法では計測対象外となるO(100μm)サイズの粒子を含む懸濁液の計測に適用し，理論式と一致する結果が得られた．この流動計測支援型レオメトリは，従来のUSRに比して10倍ほど精度が高く，今後の混相流体レオロジーでの運用が期待できる．また，USRのように構成方程式を必要としない点も強みである．複合周波数の成分を含む非定常剪断下でのレオロジー物性評価に運用できる．
流れの予測に関しては，USRで評価した粘弾性データを用いて，管内の脈動流を予測することを試みた．シェアシニング性流体としてカルボキシメチルセルロース，粘弾性流体として知られるポリアクリルアミド水溶液を扱い，予測と実験の一致が確認できた．流動物性データの可逆性が確認でき，流路の幾何条件をより複雑にする今後の研究に向けた足掛かりとなる．
以上の研究で開発したレオメトリおよび流れ予測スキームを，非ニュートン性発現の要因解明のための流体物理計測ツールとして気泡レオロジーに応用した．気泡懸濁液バルクとしての粘弾性は，気泡の変形能を表すキャピラリー数，変形の非定常性を表す動的キャピラリー数，および体積率で体系化されることを理論で示し，実験にて検証を行った．
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| 今後の研究の推進方策 |
流動計測支援型レオメトリにおいて物性評価を行う流れ場の複雑化と，そこで得られるレオロジー物性を複雑流路での流れ予測に活用することを同時に進める．平均流と振動流を組み合わせた流れ場，および二周波数成分以上を含む振動流れでの歪み量，歪み速度および剪断応力を今年度開発した流動計測支援型レオメトリにより評価する．得られたレオロジー物性データを流れの予測に活用する．直円管については既に定常流と脈動流の流れ予測に成功しており，次の対象として，レデューサ管とエルボー管を扱う．これにより，少量のサンプルを流動計測支援型レオメトリによって計測するだけで，例えば大規模パイプラインの流れ予測が実現できる．これまで対象とした直円管は軸方向流れが支配的であるのに対し，これらの管内では三次元的な流れが発生する．数値計算の妥当性検証のために，透明樹脂製のレデューサ管とエルボー管をパイプラインに組み込み，粒子画像流速測定法によって獲得する流速分布と比較する．試験流体は，ニュートン流体としてシリコンオイル，シェアシニング流体としてカルボキシメチルセルロース，粘弾性流体としてポリアクリルアミド水溶液を扱う．
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