| 研究課題/領域番号 |
23K26039
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| 補助金の研究課題番号 |
23H01344 (2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2023) |
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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 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
竹内 伸太郎 大阪大学, 大学院工学研究科, 教授 (50372628)
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| 研究期間 (年度) |
2023-04-01 – 2027-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
13,390千円 (直接経費: 10,300千円、間接経費: 3,090千円)
2026年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2025年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2024年度: 3,120千円 (直接経費: 2,400千円、間接経費: 720千円)
2023年度: 4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)
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| キーワード | 相互作用問題 / 繊維群 / 連続体モデル / 繊維群の集団的運動 / 数理モデル / 物質輸送 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
稲穂や森林の樹木、生体内の繊毛などは、その可撓性により流体中で輸送現象（例：水蒸気、花粉、農薬、生体内物質、熱、乱流応力）を担っている。しかし、繊維層内外の流れの計測は時に大規模になり、非侵襲的な計測も困難であるため、数理モデリングと数値解析による期待が高い。本研究では、繊維群が流体中で示す 位相がそろった運動（例：穂波、藻波）に見られる現象理解のために、繊維群の運動を移流・拡散などの基本的な現象で記述する連続体モデルを見出す。さらに、個別の可変形要素でモデル化される繊維群と流体の相互作用を解く数値シミュレーションを実施し、繊維群の数理モデルとの比較を通じた現象理解および工学的応用を目指す。
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| 研究実績の概要 |
稲穂や森林の樹木、生体内の繊毛などは、その可撓性によって流体中で輸送現象（例：水蒸気、花粉、農薬、CO2、生体内物質、熱、乱流応力）を担っていると考えられるが、繊維層内外の流れの計測は時に大規模になり、または非侵襲的な計測が困難であるため、数理モデリングと数値計算による期待が高い。初年度には、少数の繊維と流体の相互作用に関する基礎的検討を行った。問題設定に基づいて支配方程式各項のオーダー評価を通して近似を行い、流体運動と相互作用する弾性繊維の運動モデルおよび流体への反作用力モデルを検討した。現段階で支配的な影響を持つ項は、各繊維近傍の粘性流れに由来する減衰項のほか、繊維の固有振動に近い振動モードによるソース項である。このモデルには、単独繊維に加えられた強制振動（例：外部渦による局所加振）を周囲の繊維に伝播させる効果を含んでおり、位相がそろった繊維群の運動（例：穂波）の維持伝播に関する理解が深まると期待している。このモデルから予想される基本的な繊維挙動および流体の応答について検証するため、個別要素モデルで表される弾性繊維と非圧縮ニュートン流体の運動をカップリングする流体構造連成シミュレーション手法を整備した。弾性繊維の運動は有限要素法、流体運動は直交格子における有限差分法、カップリングは埋め込み境界法を用いた。一定圧力勾配あるいは空間非一様擾乱を加えた条件下では、モデルによる予想は流体構造連成シミュレーションの結果とおおむね一致した。
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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
繊維と流体の運動の相互作用を記述する連続体モデルについて、おおよその形が見えてきて、「研究実績の概要」でも述べた通り、物理的意味も明らかになりつつある。また計画を少し前倒しして、検証用の数値シミュレーション手法も整備し、モデルの検証に着手した。
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| 今後の研究の推進方策 |
引き続きさまざまな条件下でモデルの検証を行い、学会発表と論文発表の機会を検討する。同時に、今回のモデル化で無視した非線形項（など）の効果や導入した近似に関する考察を通して、モデルの適用範囲（パラメーター範囲、現象の適用範囲）について明らかにする。繊維群の規模を拡大し、繊維群の集団現象を示す解の多様性を調べる予定である。
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