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2013 年度 実績報告書

定常的機械刺激が誘起する粉粒体の相分離ダイナミクス

研究課題

研究課題/領域番号 12J40224
研究機関千葉大学

研究代表者

稲垣 紫緒  千葉大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(RPD)

キーワード非平衡・非線形物理学 / 非平衡散逸系 / 粉粒体物理学
研究概要

大きさや形の異なる複数の種類の粉粒体を容器に入れ、機械的刺激によって擾乱を与えた際に誘起される分離現象(segregation)の時空間ダイナミクスについて実験と理論の両面から研究を行う。
水平に置いた円筒容器に大きさや形の異なる2種類の粒子を封入して回転させると、粒子の分離現象が観察される。この分離パターンの時空間ダイナミクスについて、実験と理論の両面から研究を行った。軸周りの回転によって粒子は駆動されているが、軸に平行な向きへの自発的な流れがどのように誘起されるのかについて、特に着目して調べる。これまでの研究で、粉体媒質が円筒の内壁から受けるずり応力が、軸方向の対流に重要であることが示唆される結果を得ており、円筒内部のずり応力のかかり方を変えることによって、粉粒体の分離現象のメカニズムを究明していく。
その結果、予期した以上の成果が得られた。粉体媒質への新たなずり応力の与え方として、円筒の内側と外側からずりを与えるために、円筒容器を二重にして実験を行った。これまでの研究で、一重円筒の容器に2種類の粉粒体をほぼ完全に充填させて回転させた場合には、バンドが進行波として現れることが観察されていたが、今回は2重円筒の間にほぼ完全に粒子を充填して容器を回転させ、バンドが定常的に振動する時空間ダイナミクスを得るのに成功した。また、回転速度と充填率を変えることによって、二重円筒系においても一重円筒系高充填の場合と同様の進行波パターンも生じることが分かった。また、これらの実験結果について、相分離方程式を用いたモデル化も行った。このような振動解は、回転ドラム系に限らず、粉粒体の分離現象において新規の発見であり、どのようなメカニズムで振動が起こるのか、今後さらに巨視的対流に着目して研究を進める。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

1: 当初の計画以上に進展している

理由

これまでの実験をさらに発展させ、実験系を2重円筒容器にすることによって、粉体の分離現象における振動現象を新たに発見した。また、充填率と回転速度を系統的に変えることで、単調緩和や進行波といった、一重円筒で見られるダイナミクスが二重円筒でも起こることが分かった。バンドの速度が位置に依存することから、相分離現象と粉体媒質の巨視的対流のカップリングでバンドのダイナミクスが決まっていることが明らかになった。回転ドラムの分離現象について、メカニズムの理解を深める重要な知見が得られたことから、研究は当初の計画以上に進展しているといえる。

今後の研究の推進方策

粒子は回転によって円筒容器の軸に垂直な面内で駆動されているのにもかかわらず、分離した粒子のバンドのダイナミクスは軸に並行して起こる。自発的に粒子が水平な円筒の軸方向に行き来する理由は自明ではない。これまでの知見で、円筒容器内で三層構造を持った時に、円筒軸に平行な巨視的な対流が生じ、円筒容器の一番外側の層でのみ相分離が起こることが分かっている。今後さらに実験を進め、軸方向に粉体媒質の運動を駆動する起源を明らかにし、分離現象の巨視的な時空間ダイナミクスを理解することを目指す。特に、巨視的対流の起源が相分離に駆動されているかどうかについて着目して、研究を進める。
モデル化においては、充高充填の場合に、円筒全体に起こる対流を考慮し、流入・流出を取り入れた、移流項のある一次元Cahn-Hilliard型の方程式を用いて記述するのに成功している。2重円筒容器の場合の振動解については、実験で得られた速度分布を考慮することでダイナミクスの再現に成功した。今後は、離散要素法を用いた数値計算も進める。

  • 研究成果

    (3件)

すべて 2014 2013

すべて 学会発表 (3件)

  • [学会発表] 回転二重円筒での混合粉粒体のモード分岐 : 単調緩和から進行波、自律振動へ2014

    • 著者名/発表者名
      稲垣 紫緒
    • 学会等名
      日本物理学会 第69回年次大会
    • 発表場所
      東海大学(湘南キャンパス)神奈川県
    • 年月日
      2014-03-28
  • [学会発表] Dynamic phase segregation in a co-axial rotating cylinder2013

    • 著者名/発表者名
      稲垣 紫緒
    • 学会等名
      International Conference on Mathematical Modeling and Application 2013
    • 発表場所
      明治大学中野キャンパス東京都
    • 年月日
      2013-11-27
  • [学会発表] 粉粒体の相分離ダイナミクス : 回転二重円筒にみられる動的パターン2013

    • 著者名/発表者名
      稲垣 紫緒
    • 学会等名
      日本物理学会 2013年秋季大会
    • 発表場所
      徳島大学(常三島キャンパス)徳島県
    • 年月日
      2013-09-25

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公開日: 2015-06-25  

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