間隙のコネクティビティが流動のアップスケーリング効果に及ぼす影響の解明

2019 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19H02252
• 研究機関: 大阪市立大学
• 研究代表者: 重松 孝昌 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 教授 (80206086)
• 研究分担者: 中條 壮大 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (20590871) ; 竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 教授 (50216933) ; 麓 隆行 近畿大学, 理工学部, 教授 (30315981) ; 大友 涼子 関西大学, システム理工学部, 助教 (00726862)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: Stokes流れ / ボロノイ分割 / 動水半径 / X線CT / 透水試験 / 画像計測 / Immersed Boundary Method / 多孔質体

研究実績の概要

低ポロシティ多孔質体については，ポーラスな建設材料に使用する粒子形状が水の流下に及ぼす変化について実験を行った．まず，実験室で作製したアスペクト比2.0～2.8の砕石を用いた空隙率20%のアスファルト試験板で上面からの透水試験を実施した．その後，切り出した円柱で定水位透水試験とX線CTを用いた粒子の配置計測を行った．その結果，より扁平な砕石を用いた試験板では，透水量が多く，初期透過時間は短くなった．この理由として，扁平な砕石が水平に配列されるため，透水時に広がりが生じたと考えられた．
また，従来，球を対象とした計算しか行っていなかったImmersed Boundary Method を楕円体を対象として計算を行えるようにモジュールを付加し，物体のアスペクト比によって抗力が変化することを確認するとともに，楕円体で構成される多孔質体通過流れについて検討行った．その結果，多孔質体構成部材のアスペクト比や内部構造の不均一性が，多孔質体通過流れの圧力降下量に大きな影響を及ぼすことを明らかにした．
一方，高ポロシティ多孔質体については，低レイノルズ数条件で繊維層中の流体透過特性について調べた．粒子で模擬した繊維層中の流体透過率をStokesian dynamics法により算出したところ，同じポロシティでも，繊維形状が直線状の場合よりも屈曲している場合の方が透過率は低いことが明らかになった．さらに，ボロノイ分割を利用して繊維層内の空隙構造・コネクティビティを評価した．ポロシティだけでなく空隙のコネクティビティを考慮した動水半径を求め，透過率との関係を明らかにした．

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

低ポロシティ多孔質体を対象とした研究においては，実用採石等を用いて多孔質供試体を作成して透水試験を行い，構成部材のアスペクト比によって透水性が変化することを定量的に把握するに至った．その一方で，透水試験における水頭差と平均流速の関係などに不明瞭な点が課題として抽出されるなど，新たな課題を見出している．
Immersed Boundary Method による数値計算においては，楕円体を対象とした計算が行えるようになり，球体だけでなく楕円体で構成される多孔質体間隙流れ，及び，その後流域の流動特性についても計算が可能となっている．
高ポロシティ多孔質体を対象とした研究では，空隙のコネクティビティを考慮した動水半径などの新たな指標の提案をするとともに，透水率との関係を提示するにまで至っている．
以上を総合的に判断して「概ね順調に進展している」と評価する．

今後の研究の推進方策

低ポロシティ多孔質体を対象とした研究においては，昨年度実験した結果では，コア供試体に対する定水位透水試験結果で水頭差と平均流速が必ずしも一致しなかったので，この原因を探求するために，まずアスペクト比を2.0とした楕円体を用いて，屈折率透過法を用いた粒子間隙の流れの可視化を試みる．その後，アスペクト比の変化や粒子の設置方向を変えて，流れの変化の観察を行う．また，上面からの透水試験流れに関する可視化実験も検討したい．
Immersed Boundary Method を用いた数値計算では，計算領域の端部と物体との間に一定のクリアランスを設けなければ計算ができないという課題を有しており，この点を改良して周期境界条件の導入に取り組む．これによって，無限に拡がる多孔質体のまさに一部を抽出した計算が行えるようになり，その結果，多孔質内のより精緻な流動構造の解明が期待できる．同時に，計算手法の妥当性を検証するための水理実験を実施する．
高ポロシティ多孔質体を対象とした研究においては，2019年度に引き続き，低レイノルズ数条件で，繊維層をはじめとする高ポロシティ材料の内部の空隙構造と流体透過特性・物質移動特性との関係を調べる．2020年度は任意の内部構造をもつマイクロ流路を自作し，数値解析に加え，実験によるアプローチも行う．2019年度に実施した空隙構造・コネクティビティの評価方法の有効性を，実験結果と数値計算結果の比較により再検証する．それとともに，高ポロシティの多孔質体中における流体透過率，および微粒子懸濁液の移動特性が空隙構造によってどのように異なるか，詳細かつ一般的な知見を得ることを目標とする．

研究成果

• [雑誌論文] 圧縮応力下のコンクリート供試体のX線CT画像への各種3次元画像計測法の適用性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 麓隆行
  • 雑誌名: コンクリート工学年次論文集 巻: 41 ページ: 53-58
  • 査読あり
• [雑誌論文] X線CT法によるペースト供試体内部の水分逸散による体積変化分布に関する基礎研究 (2019)
  • 著者名/発表者名: 麓隆行
  • 雑誌名: コンクリート構造物の補修・補強・アップグレード論文報告集 巻: 19 ページ: 407-412
  • 査読あり
• [雑誌論文] 鉛直取水設備における取水管の吸込流速と 渦発生に関する実験的検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 久末信幸, 竹原幸生
  • 雑誌名: 土木学会論文集B1 巻: 75 ページ: I_787-I_792
  • DOI: 10.2208/jscejhe.75.2_I_787
  • 査読あり
• [雑誌論文] 1億枚／秒のマルチフレーミングセンサによる飛翔する光の撮影 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高野保英, 沖中知雄, 竹原幸生, 中野人志, 下ノ村和弘, 林直樹, 三井鷹, 江藤剛治
  • 雑誌名: 可視化情報学会論文集 巻: 39(9) ページ: 35 - 40
  • DOI: 10.3154/tvsj.39.35
  • 査読あり
• [雑誌論文] Light-In-Flight Imaging by a Silicon Image Sensor: Toward the Theoretical Highest Frame Rate (2019)
  • 著者名/発表者名: Takeharu Goji Etoh, Tomoo Okinaka, Yasuhide Takano, Kohsei Takehara, Hitoshi Nakano, Kazuhiro, Shimonomura, Taeko Ando, Nguyen Ngo, Yoshinari Kamakura, Son Dao Vu Truong, Array, Edoardo Charbon,Array, Piet De Moor, Paul Goetschalckx,Luc Haspeslagh
  • 雑誌名: Sensors 巻: 19(10) ページ: 2247
  • 査読あり / 国際共著
• [雑誌論文] 構成部材のアスペクト比が多孔質体通過流れに及ぼす影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 友哉，中條 壮大，重松 孝昌
  • 雑誌名: 土木学海論文集B2（海岸工学） 巻: 75(2) ページ: I_943 - I_948
  • DOI: 10.2208/kaigan.75.I_943
  • 査読あり
• [学会発表] 繊維層中の流体透過特性および空隙ネットワーク解析 (2019)
  • 著者名/発表者名: 大友涼子，出口裕仁
  • 学会等名: 混相流シンポジウム2019
• [学会発表] ASR模擬供試体内部の膨張計測へのX線CT画像を用いた画像相関法の適用性 (2019)
  • 著者名/発表者名: 麓隆行, 岩月栄治，中井慶成
  • 学会等名: 土木学会年次学術講演会
• [学会発表] X線CT装置による土壌の体積含水率測定手法の検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 高野保英, 麓隆行
  • 学会等名: 土木学会年次学術講演会
• [学会発表] X線CT法によるペースト供試体内部の水分逸散と体積変化分布に関する基礎検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 麓隆行, 高木雅斗，藤田昇悟
  • 学会等名: 資源素材学会
• [学会発表] X線CT画像と画像相関法を用いたASR模擬供試体内部の膨張計測に関する検討 (2019)
  • 著者名/発表者名: 麓隆行, 山本康輔，岩月栄治，中井慶成
  • 学会等名: 資源素材学会
• [学会発表] Fundamental study on deformation of paste around one aggregate in specimen under compressive stress by x ray CT and DVC (2019)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Fumoto, Stephen Hall
  • 学会等名: The 6th International Conference on Material Modelling
  • 国際学会
• [学会発表] DEFORMATION OF MORTAR AROUND AN AGGREGATE IN A TRIAL SPECIMEN UNDER COMPRESSIVE STRESS USING X RAY CT AND DVC (2019)
  • 著者名/発表者名: 6.Takayuki Fumoto, Stephen Hall
  • 学会等名: International Conference on Tomography of Materials & Structures
  • 国際学会
• [学会発表] 裏面照射マルチ電荷収集ゲートイメージセンサによる光の飛翔の撮影 (2019)
  • 著者名/発表者名: 竹原幸生
  • 学会等名: 高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム2019
• [学会発表] 構成部材のアスペクト比が多孔質体通過流れに及ぼす影響 (2019)
  • 著者名/発表者名: 渡辺 友哉，中條 壮大，重松 孝昌
  • 学会等名: 海岸工学講演会
• [備考] 多孔質体を通過する流れに関する研究
  • URL: http://sauron.urban.eng.osaka-cu.ac.jp/?page_id=744