極短パルスレーザー加工による多層屈折率光ファイバープローブの創製

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 23246033
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 齋藤 隆之 静岡大学, グリーン科学技術研究所, 教授 (10324328)
• 研究分担者: 梶島 岳夫 大阪大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30185772)
• 研究期間 (年度): 2011-04-01 – 2015-03-31
• キーワード: 流体工学 / 計測工学 / 極短パルスレーザー / 光ファイバー / 混相流 / 気泡・液滴 / 数値解析 / 光線追跡

研究概要

①微小気泡・液滴の径、速度、数密度を高精度に計測する「多層屈折率単一光ファイバープローブ（以下Fs-TOP）を開発し、径50μm、速度100m/sの気泡や液滴を計測することに成功した。②フェムト秒レーザーを用いた石英ファイバーのサブマイクロ加工法（多層屈折率部の加工）を開発した。加工精度は約300nmである。③３次元光線追跡シミュレーションと流体数値シミュレーションをカップリングすることにより、Fs-TOPの気泡や液滴の検出信号を解析し、気泡／液滴表面のFs-TOP通過位置を検出する手法を開発した。この新たな通過位置検出方法により、気泡や液滴の径と速度の精度を25%以上向上させることに成功した。④２色レーザー光の偏光特性、反射特性を検出することで、気泡／液滴の運動方向を検出する手法を開発した。速度の方向分解能は約１５度であった。さらに⑤上記加工法の副産物として、圧力感応ナノチューブを加工部に保持することにより、レーザーと光ファイバーにより圧力変動を計測する新たな圧力測定用光ファイバープローブを考案、製作に着手した。
以上、当初の目標を100%達成した。なお、平成２６年３月には、径50μm、速度200m/sの液滴の計測に成功した。
数値解析に関しては、①固定格子により移動・変形する気液界面の高精度捕獲と物質移動の保存性を改善することに成功した。②保存性を維持しつつ，固体表面上での動的濡れをマクロスケールでシミュレートする方法を構築した。③動的濡れ状態にある固気液接触線近傍の応力バランスを分子動力学的手法により明らかにした。④相変化をともなう気液界面の捕獲法に，分子気体論から導出された境界条件を新たに組み込んだ。
上記成果は国際誌に論文掲載された。また、化学工学会技術賞等、計３件の学会賞を受賞した。企業との共同研究によりFs-TOPの産業応用を開始した。

現在までの達成度 (区分)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] An Experimental Study of the Modulation of the Bubble Motion by Gas-liquid-phase Interaction in Oscillating-grid Decaying Turbulence (2014)
  • 著者名/発表者名: Yasuyuki Nagami and Takayuki Saito
  • 雑誌名: Flow, Turbulence and combustion 巻: Vol. 92 ページ: 147 - 174
  • DOI: 10.1007/s10494-013-9510-8
  • 査読あり
• [雑誌論文] Simulation of fluid-structure interaction based on an immersed-solid method (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeo Kajishima, Shintaro Takeuchi
  • 雑誌名: Journal of Mechanical Engineering and Sciences 巻: Vol.5 ページ: 555-561
  • DOI: org/10.15282/jmes.5.2013.1.555-561
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Newly Developed Wastewater Treatment by Using Solidification Reaction of Milk Fats and Proteins through Ozonation (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Sato and Takayuki Saito
  • 雑誌名: AIDIC CONFERENCE SERIES, The Italian Association of Chemical Engineering 巻: Vol. 11 ページ: 361 - 370
  • DOI: 10.3303/ACOS1311037
  • 査読あり
• [雑誌論文] Interaction between acoustic cavitation bubbles and dispersed particles in a kHz-order-ultrasound-irradiated water (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima, Yasuyuki Nagami, Yuta Nakamura and Takayuki Saito
  • 雑誌名: Chemical Engineering Science 巻: Vol. 93 ページ: 395 - 400
  • DOI: org/10.1016/j.ces.2013.02.028
  • 査読あり
• [雑誌論文] Measurement technique of bubble velocity and diameter in a bubble column via Single-Tip Optical-fiber Probing with judgment of the pierced position and angle (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima, Akihiro Sakamoto and Takayuki Saito
  • 雑誌名: Chemical Engineering Science 巻: Vol. 100 ページ: 98 - 104
  • DOI: org/10.1016/j.ces.2013.01.046
  • 査読あり
• [雑誌論文] 粒子流・気泡流の数値計算 (2013)
  • 著者名/発表者名: 梶島岳夫, 竹内伸太郎, 大森健史
  • 雑誌名: ながれ 巻: Vol.32, No.3 ページ: 227-232
  • 査読あり
• [雑誌論文] Improving Practical Performance of Single-tip-optical-fibre Probing for Measurement of Bubble-swarm Motion and Properties in a Large Diameter Bubble Column (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima and Takayuki Saito
  • 雑誌名: Chemical Engineering Transactions, The Italian Association of Chemical Engineering 巻: Vol. 32 ページ: 1513 - 1518
  • DOI: 10.3303/CET1332253
  • 査読あり
• [雑誌論文] A Newly Developed Wastewater Treatment by Using Solidification Reaction of Milk Fats and Proteins through Ozonation (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Sato and Takayuki Saito
  • 雑誌名: Chemical Engineering Transactions, The Italian Association of Chemical Engineering 巻: Vol. 32 ページ: 1 - 6
  • DOI: 10.3303/CET1332001
  • 査読あり
• [雑誌論文] 単一光ファイバープローブによる気泡計測時のプレシグナル検知による接触位置判定法 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古市肇，齋藤隆之
  • 雑誌名: 日本冷凍空調学会論文集 巻: Vol. 21 ページ: 40 - 47
  • 査読あり
• [学会発表] LES を用いたClark-Y11.7%翼周りのキャビテーション乱流に対する非定常解析 (2014)
  • 著者名/発表者名: 大塩哲哉, 梶島岳夫
  • 学会等名: 日本機械学会 関西支部第89期定時総会講演会
  • 発表場所: 大阪大学・大阪市
  • 年月日: 20140319-20140320
• [学会発表] 気泡塔内のCO2含有気泡の流動構造と溶解特性との関係 (2014)
  • 著者名/発表者名: 篠原大輔，齋藤隆之
  • 学会等名: 化学工学会第79年会
  • 発表場所: 岐阜大学・岐阜市
  • 年月日: 20140318-20140319
• [学会発表] 気泡表面コンタミが気泡挙動と瞬時物質移動に与える影響 (2014)
  • 著者名/発表者名: 黄潔，齋藤隆之
  • 学会等名: 化学工学会第79年会
  • 発表場所: 岐阜大学・岐阜市
  • 年月日: 20140318-20140319
• [学会発表] 単一光ファイバープローブによる液滴計測時のポストシグナルを用いた接触位置判定 (2014)
  • 著者名/発表者名: 仁平あゆ美，古市肇，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機会学会東海支部 第63期講演会
  • 発表場所: 大同大学・名古屋市
  • 年月日: 20140317-20140319
• [学会発表] 動的濡れを伴う液滴内の流れと固気液三重線近傍の応力分布に関する分子動力学的考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 日角友香, 大森健史, 西田翔吾, 山口康隆, 梶島岳夫
  • 学会等名: 第27回数値流体力学シンポジウム
  • 発表場所: 中央大学・東京都
  • 年月日: 20131216-20131218
• [学会発表] Improvement of bubble/droplet measurement accuracy in optical fiber probing based on 3D ray-tracing numerical simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: Hajime Furuichi, Yuki Mizushima, Akihiro Sakamoto, Takayuki Saito
  • 学会等名: 5th Asia Pacific Congress on Computational Mechanics (APCOM2013) and 4th International Symposium on Computational Mechanics (ISCM2013)
  • 発表場所: The InterContinental Hotel Singapore, Singapore
  • 年月日: 20131211-20131214
• [学会発表] Highly time-resolved measurement for bubble nucleation induced by femtosecond laser pulses (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima, Takayuki Saito
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the APS
  • 発表場所: David L. Lawrence Convention Center, Pittsburgh, PA, USA
  • 年月日: 20131124-20131126
• [学会発表] Simultaneous measurement of a thickness and wave velocity of a liquid film flow, by using a single-tip optical fiber probe (2013)
  • 著者名/発表者名: Hajime Furuichi, Takayuki Saito
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the APS
  • 発表場所: David L. Lawrence Convention Center, Pittsburgh, PA, USA
  • 年月日: 20131124-20131126
• [学会発表] Quantitative consideration of flow structures (bubble swarms and liquid motion) and dissolved CO2 concentration transportation, in a bubbly flow (2013)
  • 著者名/発表者名: Daisuke Shinohara, Takayuki Saito
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the APS
  • 発表場所: David L. Lawrence Convention Center, Pittsburgh, PA, USA
  • 年月日: 20131124-20131126
• [学会発表] Effects of wakes and surface contamination on instantaneous mass transfer from a bubble to the surrounding liquid (2013)
  • 著者名/発表者名: Jie Huang, Takayuki Saito
  • 学会等名: 66th Annual Meeting of the APS
  • 発表場所: David L. Lawrence Convention Center, Pittsburgh, PA, USA
  • 年月日: 20131124-20131126
• [学会発表] 単一光ファイバープローブによる液膜厚さおよび界面速度の同時計測手法の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古市肇，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会 流体工学部門講演会
  • 発表場所: 九州大学・福岡市
  • 年月日: 20131109-20131110
• [学会発表] ポストシグナルを用いた単一光ファイバープローブによる液滴流計測の高精度化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 水嶋祐基，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会 流体工学部門講演会
  • 発表場所: 九州大学・福岡市
  • 年月日: 20131109-20131110
• [学会発表] 1方程式型ダイナミックSGSモデルを用いた翼周りのキャビテーション乱流に対するLES (2013)
  • 著者名/発表者名: 大塩哲哉, 梶島岳夫
  • 学会等名: 日本機械学会 流体工学部門講演会
  • 発表場所: 九州大学・福岡市
  • 年月日: 20131109-20131110
• [学会発表] 3D光線追跡シミュレーションに基づいた光ファイバープローブによる液膜計測 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古市肇，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会北海道支部第52回講演会
  • 発表場所: 函館高専・函館市
  • 年月日: 20130928-20130928
• [学会発表] 気泡周囲の液相流動構造と瞬時物質移動の相互関係 (2013)
  • 著者名/発表者名: 黄潔，野畑慶紀，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会北海道支部第52回講演会
  • 発表場所: 函館高専・函館市
  • 年月日: 20130928-20130928
• [学会発表] Measurement of a thin liquid film in annular flow by using an optical fiber probing (2013)
  • 著者名/発表者名: Hajime Furuichi and Takayuki Saito
  • 学会等名: 4th International Conference on Jets, Wakes and Separated Flows, ICJWSF2013
  • 発表場所: Nagoya University, Nagoya
  • 年月日: 20130917-20130921
• [学会発表] Improving optical fiber probing for bubble/droplet measurement by using ray-tracing simulation and characteristic optical signals (2013)
  • 著者名/発表者名: Takayuki Saito
  • 学会等名: 9th UK-Japan Seminar on Multi-Phase Flow 2013
  • 発表場所: Brunel University, London, UK
  • 年月日: 20130916-20130918
  • 招待講演
• [学会発表] 固気液三重線を含む流れの流体力学的記述に関する分子動力学的考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 日角友香, 大森健史, 西田翔吾, 山口康隆, 梶島岳夫
  • 学会等名: 日本流体力学会年会
  • 発表場所: 東京農工大学・東京都
  • 年月日: 20130912-20130914
• [学会発表] ステレオPIVによる気泡の周囲液相流動の可視化と瞬時物質移動の考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野畑慶紀，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会2013年度年次大会
  • 発表場所: 岡山大学・岡山市
  • 年月日: 20130909-20130911
• [学会発表] 気泡塔内におけるCO2気泡群の溶解特性と大規模流動構造との関係 (2013)
  • 著者名/発表者名: 篠原大輔，水嶋祐基，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会2013年度年次大会
  • 発表場所: 岡山大学・岡山市
  • 年月日: 20130908-20130911
• [学会発表] Detection of a position touched by a single-tip optical fibre probe in a micro-droplet measurement (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima and Takayuki Saito
  • 学会等名: 25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS 2013)
  • 発表場所: The Conference Center of MAICh, Chania, Greece
  • 年月日: 20130901-20130904
• [学会発表] Measurement of a wavy and thin liquid film in a small two-fluid nozzle via a single-tip optical fibre probe (2013)
  • 著者名/発表者名: Hajime Furuichi and Takayuki Saito
  • 学会等名: 25th European Conference on Liquid Atomization and Spray Systems (ILASS 2013)
  • 発表場所: The Conference Center of MAICh, Chania, Greece
  • 年月日: 20130901-20130904
• [学会発表] Interaction between acoustic cavitation bubbles and dispersed particles in a kHz-order-ultrasound-irradiated water (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima, Yasuyuki Nagami, Yuta Nakamura, Takayuki Saito
  • 学会等名: The 11th International Conference on Gas-Liquid & Gas-Liquid-Solid Reactor Engineering (GLS-11)
  • 発表場所: COEX, Seoul, Korea
  • 年月日: 20130819-20130822
• [学会発表] Correlation among Bubble Swarms, Liquid Motion and Dissolved-gas Concentration Transportation, in a Bubbly Flows (2013)
  • 著者名/発表者名: Dausuke Shinohara, Takayuki Saito
  • 学会等名: The 11th International Conference on Gas-Liquid & Gas-Liquid-Solid Reactor Engineering (GLS-11)
  • 発表場所: COEX, Seoul, Korea
  • 年月日: 20130819-20130822
• [学会発表] 気泡界面における瞬時物質移動及びステレオPIVによる液相流動の可視化 (2013)
  • 著者名/発表者名: 野畑慶紀，古市肇，齋藤隆之
  • 学会等名: 混相流学会年会講演会2013
  • 発表場所: 信州大学・長野市
  • 年月日: 20130809-20130811
• [学会発表] 気泡流中の大規模流動構造の定量的考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 篠原大輔，齋藤隆之
  • 学会等名: 混相流学会年会講演会2013
  • 発表場所: 信州大学・長野市
  • 年月日: 20130809-20130811
• [学会発表] 単一光ファイバープローブによる液膜計測手法の開発 (2013)
  • 著者名/発表者名: 古市肇，坂本明洋，齋藤隆之
  • 学会等名: 混相流学会年会講演会2013
  • 発表場所: 信州大学・長野市
  • 年月日: 20130809-20130811
• [学会発表] 気泡塔内のCO2 気泡流の流動構造と濃度輸送との関係 (2013)
  • 著者名/発表者名: 篠原大輔，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会第１８回動力エネルギー技術シンポジウム
  • 発表場所: 千葉大学・千葉市
  • 年月日: 20130620-20130621
• [学会発表] 気泡と周囲液相減衰乱流との相互作用による気泡運動の変調に関する考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 水嶋祐基，齋藤隆之
  • 学会等名: 日本機械学会第１８回動力エネルギー技術シンポジウム
  • 発表場所: 千葉大学・千葉市
  • 年月日: 20130620-20130621
• [学会発表] A newly developed wastewater treatment by using solidification reaction of milk fats and proteins through ozonation (2013)
  • 著者名/発表者名: Katsuaki Sato and Takayuki Saito
  • 学会等名: 11th International Conference on Chemical ＆ Process Engineering
  • 発表場所: Milan Convention Center, Milan, Italy
  • 年月日: 20130601-20130604
• [学会発表] Yuki Mizushima, Takayuki Saito , Improving Practical Performance of Single-tip-optical-fibre Probing for Measurement of Bubble-swarm Motion and Properties in a Large Diameter Bubble Column (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima, Takayuki Saito
  • 学会等名: 11th International Conference on Chemical ＆ Process Engineering
  • 発表場所: Milan Convention Center, Milan, Italy
  • 年月日: 20130601-20130604
• [学会発表] Large eddy simulation of turbulent cavitating flowaround a hydrofoil (2013)
  • 著者名/発表者名: Tetsuya Oshio, Takeo Kajishima
  • 学会等名: 4th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
  • 発表場所: Hyatt Regency, Hong Kong
  • 年月日: 20130601-20130604
• [学会発表] Numerical method of moving interface accompanied with evaporation using boundary conditions based on molecular gas dynamics (2013)
  • 著者名/発表者名: Kyohei Izumi, Takeo Kajishima
  • 学会等名: 4th Asian Symposium on Computational Heat Transfer and Fluid Flow
  • 発表場所: Hyatt Regency, Hong Kong
  • 年月日: 20130601-20130604
• [学会発表] Development of optical fiber probing for measurement of a thin and wavy liquid film in a small-diameter pipe (2013)
  • 著者名/発表者名: Hajime Furuichi, Akihiro Sakamoto, Takayuki Saito
  • 学会等名: International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013)
  • 発表場所: Jeju Congress Center, Jeju, Korea
  • 年月日: 20130523-20130529
• [学会発表] Pre-/post-signal method for detection of a position pierced by a single-tip optical fiber probe in bubble/droplet measurement based on optical signals obtained through 3D ray-tracing simulation (2013)
  • 著者名/発表者名: Yuki Mizushima, Akihiro Sakamoto, Takayuki Saito
  • 学会等名: International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013)
  • 発表場所: Jeju Congress Center, Jeju, Korea
  • 年月日: 20130523-20130529
• [学会発表] Dynamic mechanism of mass transfer from a zigzagging-ascent bubble to the surrounding liquid phase (2013)
  • 著者名/発表者名: Yoshinori Nobata, Takayuki Saito
  • 学会等名: International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013)
  • 発表場所: Jeju Congress Center, Jeju, Korea
  • 年月日: 20130523-20130529
• [学会発表] Numerical investigation of droplet motions on heterogeneous surfaces (2013)
  • 著者名/発表者名: Tadashi Ochiai, Takeshi Omori, Takeo Kajishima
  • 学会等名: International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013)
  • 発表場所: Jeju Congress Center, Jeju, Korea
  • 年月日: 20130523-20130529
• [学会発表] Development of interface capturing method for dissolving bubbly flow (2013)
  • 著者名/発表者名: Shogo Kawamoto, Takeshi Omori, Takeo Kajishima
  • 学会等名: International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013)
  • 発表場所: Jeju Congress Center, Jeju, Korea
  • 年月日: 20130523-20130529
• [学会発表] Heat Transfer in Fluid-Particle Two-Phase Media (2013)
  • 著者名/発表者名: Takeo Kajishima, Shintaro Takeuchi
  • 学会等名: International Workshop on Numerical Simulations of Particle/Droplet/Bubble-laden Multiphase Flows
  • 発表場所: The University of Tokyo, Tokyo
  • 年月日: 20130522-20130524
• [備考] 静岡大学 齋藤研究室
  • URL: http://flow.eng.shizuoka.ac.jp/
• [備考] 静岡大学 グリーン科学技術研究所
  • URL: http://www.green.shizuoka.ac.jp/
• [備考] 流体物理学領域 梶島・竹内研究室
  • URL: http://www-fluid.mech.eng.osaka-u.ac.jp/index-ja.html