| 研究課題/領域番号 |
16K14340
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
西嶋 一欽 京都大学, 防災研究所, 准教授 (80721969)
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| 研究分担者 |
飯田 琢也 大阪府立大学, 理学(系)研究科(研究院), 准教授 (10405350)
西村 宏昭 京都大学, 防災研究所, 研究員 (60420725)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | 耐風設計 / 風洞実験 / 圧力計測 / 光学応答 / ナノ粒子 |
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| 研究実績の概要 |
本研究では，大幅に小型化された実形状建物の風洞模型を用いて高精度な風洞実験を行うことを目標として，金属ナノ粒子集合系の光応答の敏感性を利用した革新的な圧力計測技術の開発を核とした，未来型風洞実験法の確立に挑戦している。具体的には，（１－１）レイノルズ数とナノ粒子光応答感度に応じた，最適な流体媒質と実験スケールの解明，（１－２）最適化された流体媒質および実験スケールでの流れ場制御手法の開発，（２）流体中の金属ナノ粒子集積系圧力応答特性の最適化である。初年度である本年度は，下記の課題に取り組んだ。
課題（１－１）および（１－２）に関して，要求されるレイノルズ数レベルとナノ粒子光応答限界を制約条件として，実験装置系の駆動力および強度を考慮しつつ，実験装置を設計した。このため，流体の媒質・流速，ポンプの吐出量・回転数，流路形状およびサイズを変数として，実験装置の最適化を行った。また，設計に基づいて実験装置のプロトタイプを試作し，試作したプロトタイプを用いて，流れ場の制御可能性を検証した。具体的には，流体に空気を用いた低風速乱流境界層風洞実験とほぼ同程度のレイノルズ数で実験を行えること，定常で一様な流れを作成できることを検証・確認した。また，汎用的なデジタルデータやCADデータを用いて，本実験装置で用いる模型を必要十分な精度で製作する手順を確立した。課題（２）に関して，これまでに理論及び実験で解明した，金属ナノ粒子を化学的な方法で高密度にポリマービーズに固定した「金属ナノ粒子固定化ビーズ」の光学応答現象を流体中の物体表面圧力の計測に応用するために，コアビーズとして新たに外部刺激に応答するポリマー粒子を検討し，その作製法の基礎を確立した。
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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，「研究実績の概要」で述べた課題（１－２）は次年度の課題としていたが，今年度のうちに実験装置を試設計しプロトタイプを製作したところ，設計通りに一様な流れ場を生成し流速を制御できることが判明した。このことから，このプロトタイプを用いて，次年度の課題の一部であった大気乱流境界層を模擬した乱流構造を生成するための物理的機構の検討を行うことが可能になった。また，物理的機構を検討する際に，この機構のCADデータを作成しコンピュータ制御切削機を用いて製作したところ，必要十分な精度で製作可能であることがわかった。CADデータをコンピュータ制御切削機や3Dプリンタを用いて出力し風洞実験に必要な模型を作成する要素技術は，精度に課題は残るものの，本研究課題においては確立された技術としてgivenとしていたが，この技術が実用的に利用可能であることを実証することができた。
また，分担者のグループで流れ場の圧力計測用の金属ナノ粒子集積構造体のコアとなる刺激応答性ビーズを自作できるようになったことも大きな進展である。さらに，金属薄膜上に形成したナノホールに誘電体を近づけることで大幅なピークシフトが得られることを理論的に解明した点も局所的な圧力センサへの応用可能性を期待させる予想外の成果と考えている(JPC-Lett. 2017, Spotlightに選抜、日刊工業新聞などで紹介)。
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| 今後の研究の推進方策 |
次年度は，課題（１）と課題（２）で得られた成果を統合し，流れ場の制御，圧力計測それぞれの技術を一つの装置に実装する方法を検討し，今年度作成した実験装置のプロトタイプを改良する。改良された装置を用いて単純な実験を行い，現状の装置の圧力計測性能を明らかにするとともに，実用化に向けた課題を明確にする。
これと並行して，課題（１）では，今年度に引き続き，流れ場の乱流構造を制御するための物理的機構を検討する。また，既存のPIV流速計測技術を用いて，実験装置およびこの物理的機構によって生成された乱流の計測を行うとともに，従来よりも小さなサイズでより高精度に流速を計測する際の課題を明確にする。
課題（２）では，刺激応答性のコアビーズ作製のノウハウを確立し，光ピンセットを用いた光圧による応答特性を評価する実験系も確立する。流体シミュレーションに関する準備も進めており，流れに由来する圧力がビーズの変形に与える影響評価も検討する。特に，次のステップとしてはビーズの形状変形に伴う金属ナノ粒子の光学応答の変調効果を最適化するために固定化法に関する検討を行うことが重要課題と考える。また，作製した金属ナノ粒子集積構造体を測定対象となる建築物の模型表面に塗布するための条件探索も重要課題であり検討する。
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| 備考 |
大阪府立大学プレスリリース（1月5日）
オプトロニクス1月号、日刊工業新聞などにて紹介。
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