複雑媒体中の衝撃波現象の解明と学際応用

2002 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12CE2003
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 高山 和喜 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (40006193)
• 研究分担者: 佐宗 章弘 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40215752) ; 林 一夫 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (30111256) ; 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652) ; 小原 拓 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40211833) ; 齋藤 務 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (00302224)
• キーワード: 衝撃波 / 複雑媒体 / 衝撃波医療応用 / 衝撃波地球科学への応用 / ホログラフィー干渉計 / 数値流体力学 / 衝撃波産業応用 / 分光計測

研究概要

平成12年3月、衝撃波学際実験棟が完成し、ここに衝撃波管、高圧室長さ5m、視野1.1m×0.18mの測定部、および、二段式ガス銃、射出速度8km/s、回収部直径1.7m、長さ12mを設置している。また、直径1mのシュリーレン鏡を備えた大視野可視化実験系を設備し、各種縦型衝撃波管実験を実施している。当初計画に沿った研究が進行中で、特に、構造/非構造格子系を用いる数値解析法の開発、コンピューターを用いる画像解析法の開発などが実用されている。地球物理、医療などへの衝撃波学際研究は成果を挙げている。
(I)複雑媒体中の衝撃波の解明
(1)衝撃波の基礎
くさびを過ぎる衝撃波の反射を解明した。渦と衝撃波の干渉過程を解明した。縦型衝撃波管に球を吊るし、衝撃波負荷での球の非定常抗力を始めて計測した。弱い衝撃波の発生技術を確立した。膨張波を利用する冷凍機の開発を行い温度低下を実現し、さらに最適化し温度低下40度を目指す。粉塵気体気体中の衝撃波伝播を解明した。
(2)衝撃波の挙動
非一様媒体中の衝撃波の挙動を解明した。気中および水中微小爆発を精密計測し、衝撃波の発生と伝播機構を解明した。セル構造物体中の衝撃波伝播を解明した。金属中を伝播する衝撃波、高速衝突に伴うデブリ雲の発生と分布を明らかにした。また、水中に高速貫通した飛行体の挙動とスーパーキャビテーション発生を明らかにした。水中にレーザー光照射で衝撃波を発生しその挙動を解明した。
(3)高粘度媒体中の衝撃波
マグマの微細化を模擬するために高粘度の水飴中で微小爆発を実施し、衝撃波伝播と爆発生成気体の挙動、水飴の粘弾性体としての挙動を明らかにした。特に亀裂伝播の様相を初めて明らかにした。粘弾性体に高速飛行体を打ち込む実験研究の準備を完了させた。また、粘弾性体に衝撃波と膨張波を時間制御して作動させる実験装置を完成した。
(4)高速飛行における衝撃波
自由ピストン衝撃波風洞で、極超音速流れにおいた二重くさびおよび二重円錐周りの流れを初めて高速映画撮影し、流れ場の非定常挙動を詳細に明らかにした。
(II)実験、計測と数値シミュレーション
(1)装置、計測法の開発
縦型衝撃波管の実験技術を確立し、粉塵衝撃波管での粉塵濃度測定と粉塵回流法を確立した。無隔膜衝撃波管で円筒周りの熱伝達測定に初めて成功した。縦型衝撃波管で球の非定常抗力測定に初めて成功した。水中温度を非接触的に計測する技術を確立した。ホログラフィー法をより精緻化し、様々の衝撃波計測に活用する途を確立した。
(2)数値解析
様々の衝撃波の数値解析法を確立した。特に、二次元粉塵衝撃波伝播に現れる条件設定の不備を改め、実験と対比できる結果を導いた。隕石衝突、火山の爆発的噴火における衝撃波の挙動を模擬する数値解法を確立した。計算機援用画像処理法を確立した。
(III)学際応用
(1)地球物理、火山学
小惑星衝突に伴う生物大絶滅に及ぼした水中衝撃波の寄与を明らかにすることを目指し、古生物学、堆積学、地球物理学者とので、アナログ実験が進行中である。火山噴火の素過程に及ぼす衝撃波の寄与を解明するためのアナログ実験と要素実験が進行中である。
(2)医療
衝撃波援用の脳血栓血行再建術はほぼ完成し、臨床治療が開始されようとしている。また、レーザー光をエネルギー源とした水ジェットメスの開発が進み、臨床装置として実用の直前である。レーザーアブレージョンを用いる薬剤導入、遺伝子導入法では、微小粒子を細胞の比較的深部まで導入できることが確認され、実証実験が進行中で、成果が期待できる。

研究成果

• [文献書誌] I.Sokolov, E.Timofeev, J.Sakai, K.Takayama: "Artificial Wind -a new framework to construct simple and efficient upwind shock-capturing schemes"Journal of Computational Physics. 181. 354-393 (2002)
• [文献書誌] P.Voinovich, A.Merlen, E.V.Timofeev, K.Takayama: "Numerical simulation of wave scattering at shock-loaded metallic plates and shells in water"Proc. of the 23th Int. Symp. on Shock Waves. 954-963 (2002)
• [文献書誌] Jiang Zonglin, K.Matsuoka, A.Sasoh, K.Takayama: "NUMERICAL AND EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF WAVE DYNAMIC PROCESSES IN HIGH-SPEED TRAIN/TUNNELS"Acta Mechanica Sinica. 18. 209-226 (2002)
• [文献書誌] Jagadeesh G, Nagashetty K, Reddy KPJ, Sun M, Takayama K: "Studies on the effects of test gas on the flow field around large angle blunt cone flying at hypersonic Mach number"Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci.. 45,149. 189-194 (2002)
• [文献書誌] Sun M, Takayama, K: "Vorticity production in shock diffraction"Journal of Fluid Mechanics. 478. 237-256 (2003)
• [文献書誌] T.Hirano, M.Komatsu, H.Uenohara, A.Takahashi, K.Takayama: "A novel Method of Drug Delivery for Fibrinolysis with Ho : YAG Laser-Induced Liquid Jet"Lasers Med.Sci.. 17. 165-172 (2002)