| 研究課題/領域番号 |
16K14148
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| 研究機関 | 慶應義塾大学 |
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研究代表者 |
竹村 研治郎 慶應義塾大学, 理工学部(矢上), 准教授 (90348821)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | 電界共役流体 / 機能性流体 / イオン移動度 / 分子動力学 |
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| 研究実績の概要 |
電圧を印加すると流動する電界共役流体（ECF）として多くの液体が報告されているが，本研究ではデカン二酸ジブチル（DBD）に生じる流動を研究対象としている．これは，DBDは構造式が明らかな単一物質であるためである．これまでに，DBDを充填したチャンバ内に直径0.3 mmの線状電極を2本，中心軸を合わせて電極間隔2 mmで対向して配置した対向棒電極対を用いて電極間の電位分布を測定した．この結果，DBD中での電位分布が電極間で線形に分布していることが明らかになった．また，上記で測定した電位分布に応じてDBD中での電位分布を線形モデルで計算し，DBD流動の支配方程式をKorteweg-Helmholtz式で計算される電気力を導入したナビエストークス方程式によってECF流動をモデル化し，DBD流動を計算機中で再現した．ここで，支配方程式に現れる電気的パラメータのひとつであるイオン移動度は実験的な計測が複雑であるため，分子動力学計算を用いて理論的に算出した．具体的にはイオン移動度の実験値が報告されている炭化水素を例に，分子動力学計算がイオン移動度の算出に有効であることを確認した後，DBDのイオン移動度を計算によって見積もった．この値をDBD流動の支配方程式に導入することによって，流動計算において実験的なパラメータ同定の必要性をなくした．具体的には，分子動力学法を用いて算出したDBDのイオン移動度を支配方程式に導入して四角柱-スリット電極間に発生するDBDの流動を数値計算した結果と，同条件での流動の可視化実験の結果を定量的に比較し，電圧印加直後からの過渡現象を含めて両者が定量的に一致することを示した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
当初の計画では，平成28年度は電界共役流体（ECF）中における電界分布の計測と，ECF流動のモデル化を行い，平成29年度にECFの物性値の理論的な決定を行った後，平成30年度に計算機内でのECF流動の定量的再現を行うことを計画していた．しかし，電界分布の計測と流動のモデル化，および分子動力学法を用いたECFの物性値の理論的は決定が順調に進んだため，計算機内でのECF流動の再現が平成29年度に前倒しで達成された．このため，現在までの進捗状況を「当初の計画以上に進展している」と判断している．
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| 今後の研究の推進方策 |
当初計画よりも順調に研究が推移しているため，今後の研究を以下のように計画している．
これまでに，電界共役流体（ECF）中における電界分布の計測と，ECF流動のモデル化，ECFの物性値の理論的な決定，計算機内でのECF流動の定量的再現が達成された．すなわち，ECFの流動実験を行うことなく，計算機内でたとえば，電極配置が流動発生に与える影響などを見積もれることになった．このため，今後は構築したECFの数値計算モデルを用いて，圧力源として実用的な電極対形状である四角柱-スリット電極対の寸法が流動発生に与える影響を計算機内で検証し，各寸法パラメータの寄与を定量的に明らかにすることに取り組む予定である．これにより，電極形状の最適化を達成し，ECFが液圧駆動システムのためのマイクロ圧力源として広く利用されるための基礎的知見を提供することを目指す．また，こうした計画が順調に進んだ場合は，これまで計算コストの都合上，2次元での流速分布の計算を行っていたが，3次元モデルへと拡張することも視野に入れている．これによって可視化実験では計測が難しい3次元的な流速分布の理解を進める計画である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
平成29年度は所属機関が有する計算サーバなどを活用して計算機内でのECF流動の再現に注力したため，物品に関する支出が予定よりも少なくなった．このため，次年度使用額が発生した．平成30年度は電極対形状の最適化を行う予定であり，実験を伴う検証に次年度使用額を充当する計画である．
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