| 研究課題/領域番号 |
19H02058
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
原田 周作 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80315168)
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| 研究分担者 |
田中 洋介 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 准教授 (80509521)
山本 恭史 関西大学, システム理工学部, 教授 (90330175)
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| 研究期間 (年度) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| キーワード | 微粒子分散系 / 濃度界面 / 混合 |
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| 研究実績の概要 |
液体中に不均一に分散した固体微粒子が形成する見かけ上の界面 (濃度界面) の動力学的性質と，界面近傍における微粒子の混合現象に関する研究を行った．濃度界面近傍の懸濁粒子の挙動について調べるために，微粒子の集団的な沈降実験およびpoint force modelに基づく数値計算を実施した．第1の目的である微粒子濃度界面の挙動解明に関して，光切断法と屈折率マッチング法を併用させた，濃度界面の3次元形状を測定できる新たなシステムを開発した．本測定システムを，集団性の大きい微粒子懸濁液の重力沈降挙動に適用し，さまざまな流路内での濃度界面の形状変化について調べた．その結果，濃度界面は懸濁粒子の集団性が十分大きい場合には不混和界面のように振舞うこと，集団性は粒子の物性や濃度条件だけではなく流路の形状にも依存して変化することなどがわかった．
一方，第2の目的である濃度界面近傍の微粒子の混合現象に関しては，point force modelによる数値計算を実施した．上下に集団性の異なる微粒子懸濁液を成層させ，界面近傍で粒子がどのように混合するのかについて，さまざまな粒子条件で計算を行って検討した．その結果，上部の懸濁液の集団性が十分大きい場合には個々の粒子が作り出す流れによって濃度界面が遮蔽され，界面近傍で粒子混合が生じないこと，粒子の混合の有無は，上下の懸濁液の集団性の比，および沈降速度の比の両方によって説明可能であることが示唆された．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
研究目的の1つ目である「微粒子濃度界面の動力学的性質の解明」に関して，研究計画の通りに沈降実験装置を製作した．また光切断法による3次元界面形状の測定装置の開発および検証をほぼ完了した．これによって，さまざまな形状の流路中を沈降する濃度界面の3次元形状の時間変化を非接触で追跡可能となり，目的の遂行に対して大きく進展した．当初の研究計画では，界面形状の測定をともなう粒子沈降実験は令和2年度以降に行う予定であったが，実験装置の製作および測定装置の開発が順調に遂行できたため，令和元年度に計画の一部を前倒しして実験を行うことができた．
研究目的の2つ目である「濃度界面における微粒子混合現象の解明」に関しては，令和元年度にpoint force model に基づく数値解析を実施した．数値解析結果から，濃度界面における粒子混合の有無は上部の懸濁液の集団性が大きく関与すること，粒子混合の程度は上下の懸濁液の集団性の比および粒子沈降速度の比の両方によって決まることがわかった．以上の成果により，2つ目の研究目的の一部が達成された．粒子混合実験に関しては，当初の計画の通り令和2年度に実験装置の開発および実験を行う予定であるが，事前準備は順調に進展している．
全体として当初の研究計画よりも進展が速く，上記2つの目的に対して概ね順調に研究が遂行されたと判断している．得られた研究成果は，今後速やかに国内外の学会で発表を行い，国際的学術誌に投稿する．また学術講演会や産学官連携イベントなどで積極的に公表を行い，研究成果の普及に努める予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
現在までに本研究の1つ目の目的である「微粒子濃度界面の動力学的性質の解明」に関して，実験装置と界面形状測定装置の開発が概ね当初の計画通り達成されたことから，今後はそれらを用いた微粒子沈降実験をより広範な条件で行う．また，さらに研究を発展させて，多孔質体のような複雑な流路中で濃度界面がどのように移動するのかについても本測定システムを適用した実験を行う予定である．
2つ目の目的である「濃度界面における微粒子混合現象の解明」に関しては，point force model に基づく数値解析によって粒子混合のメカニズムの一部が解明されたことから，これまでの成果を投稿論文として早急にまとめる予定である．数値解析に関しては，引き続きさまざまな粒子条件で大規模な計算を行う．今後新たに得られた成果に関しても，国内外の講演会や投稿論文の形で積極的に発信を行っていく．
令和2年度は当初の研究計画の通り，2つ目の目的を遂行するための粒子混合実験に注力し，実験装置の製作および画像処理システムの開発を行う．この実験により濃度界面近傍の粒子混合度を定量化し，数値解析結果との比較を行うことでメゾスケールでの混合メカニズムの解明を目指す．これらの成果に関しても，達成度に応じて国内外の講演会での発表や投稿論文による発信を随時行っていく．
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