| 研究概要 |
鳥類の肺気道は非対称分岐形状を有し,分岐後方においては細気管支がループ状の流路を形成している。気道内では吸気と呼気を通して常に同じ方向に流れる成分が存在し,動脈血と対向した一方向流れに振動流が重畳した流れとなっている。一方向流れにより対向流ガス交換を行なうため,鳥類のガス交換効率は,哺乳類に比べて遥かに高い。一方向流れの発生機序に関しては,気道内の流れとの関連性が指摘され,これまで種々の研究がなされているが,ほとんど未解明の状況にある。他方,近年振動流を用いて熱輸送を高効率で行なうドリームパイプが注目されているが,この技術に鳥類の呼吸機構を応用すれば,対流熱輸送の付加よる高い熱輸送能力を持つデバイスの実現が期待される。
本研究では鳥類の気道の特徴である直角分岐管を対象に,一方向流れの発生機序を明らかにすること,最適な流路形状の指針を得ること,更に一方向流れによる熱輸送促進の程度を確認し,高効率の熱輸送デバイス設計への基礎的知見を得ることを目的としている。
今年度は直角分岐管の実験装置を製作し,水を作動流体として正弦波振動流の流れの構造と流量分配の関係を,流れの可視化とPIVによる流速測定により検討した。また,SIMPLE法に基づく数値解析により流れ場を詳細に調べた。これらの結果から,分岐管への吸込み流れの時点で,分岐部に生じる剥離渦と流れの慣性が支配因子となって,一方向流れ成分を生じさせることを見出した。次に近似理論モデルを構築し,剥離渦と慣性との影響度合いによる流れの変化を明らかにした。続いて一方向流れが軸方向のガス輸送に及ぼす影響を,CIP法に基づく濃度場の数値解析により調べ,一方向流れの増加に伴ってガス輸送が飛躍的に増大することを示した。更に鳥類の呼吸機構を念頭に,分岐の直前に狭窄部がある流路を対象として数値解析を行い,狭窄が一方向流れ成分の発生を助長することを確認した。
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