濃厚粒子懸濁液内部の流動場・応力場直接同時計測による非線形応答メカニズム解明

• 研究課題/領域番号: 23K17729
• 研究種目: 挑戦的研究(萌芽)
• 配分区分: 基金
• 審査区分: 中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
• 研究機関: 大阪大学
• 研究代表者: 山本 憲 大阪大学, 大学院理学研究科, 助教 (70749100)
• 研究分担者: 桂木 洋光 大阪大学, 大学院理学研究科, 教授 (30346853)
• 研究期間 (年度): 2023-06-30 – 2025-03-31
• 研究課題ステータス: 交付 (2023年度)
• 配分額: 6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円); 2024年度: 2,470千円 (直接経費: 1,900千円、間接経費: 570千円); 2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
• キーワード: 液滴 / 可視化 / 濡れ粉体 / 混相流 / 液滴衝突 / 界面動力学 / 可視化計測 / ソフトマター / 粉体 / 光弾性

研究開始時の研究の概要

懸濁液内部の非平衡流動場・応力場を計測するために、微小粒子と周囲液体の屈折率を揃えて濃厚懸濁液を透明化し、懸濁液内部流動のPTV (粒子追跡法) 計測および光弾性法による懸濁液内部の応力場計測を行う。研究機関においては、各計測を実現するための計測系を構築し、さらにそれらの同時計測を実現する。
計測対象とする現象は濃厚懸濁液への剛体球の衝突現象であり、懸濁液内部で起こる応力緩和や粒子移動の衝突速度依存性を明らかにする。懸濁液の粘弾性特性は2次元系と3次元系で大きく異なることが知られているため、実験は3次元系で行う。

研究実績の概要

屈折率が一様な直径 0.1 mm オーダーの粒子を作製するため、複数の手法を用いて粒子を試作した。また、観察対象である内部流動場を予測するために、水を含んだガラス粒子粉体層への水滴の衝突実験を行った。
衝突現象は典型的な非平衡現象であり、粒子の移動、液体の流れ、固気液界面のダイナミクスが関係する複雑な現象である。衝突実験においては、ドライ／ウェットな粉体層への液滴衝突の高速度可視化、衝突により形成されたクレーターの3次元プロファイル測定、粉体層の力学特性測定を行い、液滴のスプラッシュおよびクレーター形成の物理を明らかにした。そして、粉体層の含水率および構成粒子の粒径によりスプラッシュとクレーター形状が大きく変化することがわかった。また、それらを分類した相図を作成した。
上述の変化を定量的に理解するため、粉体層の機械特性（粗さ、有効弾性、有効強度）とクレーターの特徴的な長さを測定した。その結果、粉体層の実効強度と液滴の衝突動圧の関係により相境界の一つが説明できることが明らかになった。
また、粉体層中の液相の流れが現象全体に大きな影響を与えることも明らかにした。具体的には、粉体層中の細孔に流体が流れる際の粘性抵抗が粒子サイズや衝突からの経過時間に依存し、粘性抵抗由来の抵抗圧力が液滴の衝突動圧と同オーダーとなることを示した。さらに、粘性抵抗が生じる時間スケールと衝突・接触の時間スケールを比較し、最も短い時間スケールにより相が決定されることを明らかにした。
これらの結果より、粒子サイズと内部流動の関係の予測が可能になっただけでなく、粉体層中の直接観察において重要となる長さおよび時間のスケールの見積が可能になった。また、現在は得られた結果をまとめた論文を査読付き国際ジャーナルに投稿中である。

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

屈折率が一様な粒子の試作が進んでいる。同時に、水を含んだガラス粒子粉体層への水滴の衝突実験を行い、濡れ粉体層の内部直接観察に必要な長さ・時間スケールの見積りができている。また、得られた結果をまとめた論文を査読付き国際ジャーナルに投稿中である。

今後の研究の推進方策

屈折率が一様な粒子を大量に作製し、周囲流体との屈折率を一致させることで濡れ粉体層の内部観察を可能にする。内部観察では、粒子に蛍光色素を導入し、周囲液体に蛍光粒子を混入することで粒子と周囲液体の挙動を観察する。さらに、偏光カメラを用いて内部応力場の観察に挑戦する。