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2016 年度 実施状況報告書

粘弾性流体中を運動する物体によるせん断波の発生と流れに関する研究

研究課題

研究課題/領域番号 15K05784
研究機関千葉大学

研究代表者

三神 史彦  千葉大学, 大学院工学研究科, 准教授 (40272348)

研究期間 (年度) 2015-04-01 – 2018-03-31
キーワード流体力学 / 粘弾性流体 / 波動
研究実績の概要

本研究では,粘弾性をもつ界面活性剤のひも状ミセル水溶液を中心に,粘弾性流体の複雑で特異な流れ現象を流体中の波動伝播の観点から見直して見通しを良くすることを目指している.
(1)せん断波の伝播速度と流速の比である粘弾性マッハ数が1を超えるときの,球のまわりに形成される渦度のマッハコーンの詳細が調べられ,マッハコーン形成による抗力への影響が明らかになった.また,鞭毛螺旋モデルを用いた粘弾性流体中での推力測定の実験が行われ,粘弾性マッハ数1を境に推力と流れ場の特性が変化することがわかった.一般にレイノルズ数とデボラ数で整理することが多い粘弾性流体の流れにおいて,このことは粘弾性マッハ数の重要性を示すとともに,粘弾性流体の高速流れにおける抗力を評価するための手がかりとなる.また,鞭毛を使って粘弾性流体中を遊泳する微生物のまわりの流れはストークス近似を用いて解析されることが多いが,ストークス近似ではせん断波の伝播が出てこないため,実験で得られた推力特性とは異なることが示された.
(2)平行平板間流路において急縮小部上流の流れ場が調べられ,流速が大きいときには,高速で流れる二本の細い筋状の流れが発現することが見出された.これは急縮小部の擾乱が上流に伝播したもので,支配方程式の型変化が関係すると考えられる.このような不均一な流れの発生はプラスチックの射出成形における成形不良・外観不良の原因となりうるので,流れの特徴を知り,発生を予測することが重要となる.
(3)平板が粘弾性流体中でインパルス的に運動したときに発生する平面波について,流速とせん断応力についての一次元の支配方程式がラプラス変換を利用して解かれ,パルス幅が速度波形と応力波形に及ぼす影響が明らかになった.せん断波の伝播速度と減衰比の計測には,流体の緩和時間に応じた適切なパルス幅の設定が重要であるという指針が得られた.

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

これまでに得られた成果の一部は,国内外の学会で発表している.
支配方程式に基づいた特性曲線の解析なども進んでおり,実験と理論の両方から総合的に研究を行っている.支配方程式の型変化を基本とした実験と理論の比較は,波動が重要となる粘弾性流体の高速流れにおいて,多様な現象を統一的に捉えるために有用な視点となっている.

今後の研究の推進方策

最終年度となる平成29年度は,支配方程式の型変化に基づいて,粘弾性流体中を高速で運動する物体の抗力や急縮小部をもつ流路内の高速流れの流れパターンなどの実験データを考察し,粘弾性流体の高速流れの力学的描像を確立することを目指す.
さらに,粘弾性流体として高分子水溶液を用いた実験データを蓄積し,ひも状ミセルと高分子の違いの影響について検討を行う.
また,せん断波の伝播速度と減衰比の計測手法を完成させ,粘弾性マッハ数とレイノルズ数の算出に役立てる.

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2017 2016

すべて 雑誌論文 (1件) (うち査読あり 1件、 オープンアクセス 1件、 謝辞記載あり 1件) 学会発表 (6件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] 粘弾性流体中でのマッハコーンの形成2016

    • 著者名/発表者名
      三神史彦,八木良明
    • 雑誌名

      宇宙航空研究開発機構特別資料

      巻: JAXA-SP-16-007 ページ: 161-166

    • 査読あり / オープンアクセス / 謝辞記載あり
  • [学会発表] 粘弾性流体中における鞭毛螺旋模型の推進力特性2017

    • 著者名/発表者名
      三神 史彦,田島 和哉
    • 学会等名
      日本機械学会第 29 回バイオエンジニアリング講演会
    • 発表場所
      ウインクあいち(愛知県・名古屋市)
    • 年月日
      2017-01-19 – 2017-01-20
  • [学会発表] 粘弾性流体中を沈降する剛体球の速度と球体積の関係2016

    • 著者名/発表者名
      三神 史彦,八木 良明
    • 学会等名
      日本機械学会第94期流体工学部門講演会
    • 発表場所
      山口大学工学部常盤キャンパス(山口県・宇部市)
    • 年月日
      2016-11-12 – 2016-11-13
  • [学会発表] 平板のインパルス駆動によって励起される粘弾性流体中のせん断波の伝播2016

    • 著者名/発表者名
      三神 史彦
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2016
    • 発表場所
      名古屋工業大学御器所キャンパス (愛知県・名古屋市)
    • 年月日
      2016-09-26 – 2016-09-28
  • [学会発表] ひも状ミセル水溶液中でのせん断波の伝播速度と減衰特性(溶液濃度および対イオンモル比の影響)2016

    • 著者名/発表者名
      三神 史彦,不破 宏樹
    • 学会等名
      日本機械学会2016年度年次大会
    • 発表場所
      九州大学伊都キャンパス(福岡県・福岡市)
    • 年月日
      2016-09-11 – 2016-09-14
  • [学会発表] Mach cones in a viscoelastic fluid2016

    • 著者名/発表者名
      Fumihiko Mikami, Yoshiaki Yagi
    • 学会等名
      24th International Congress of Theoretical and Applied Mechanics (ICTAM 2016)
    • 発表場所
      Montreal (Canada)
    • 年月日
      2016-08-21 – 2016-08-26
    • 国際学会
  • [学会発表] 粘弾性流体中でのマッハコーンの形成2016

    • 著者名/発表者名
      三神 史彦,八木 良明
    • 学会等名
      第48回流体力学講演会/第34回航空宇宙数値シミュレーション技術シンポジウム
    • 発表場所
      金沢歌劇座(石川県・金沢市)
    • 年月日
      2016-07-06 – 2016-07-08

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公開日: 2018-01-16  

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