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2013 年度 実施状況報告書

静電場中での複合ジェットの安定性と微小粒子・カプセル形成への応用

研究課題

研究課題/領域番号 24560194
研究機関大阪大学

研究代表者

吉永 隆夫  大阪大学, 基礎工学研究科, 准教授 (40158481)

キーワードエレクトロスピニング / エレクトロスプレー / ジェット / 表面張力 / 非線形 / 静電場 / ジェッティング / コーンジェット
研究概要

近年,食品,医薬品,繊維などの分野で微小粒子,カプセルや微細ファイバーの需要が高まっており,静電場中での流体ジェットを用いてこれらを形成する試みが主に実験的に行われている.本研究の目的は,単相もしくは,コア部と円筒部からなる複合のジェットにおいて,静電場中でのジェットの不安定化のメカニズムを明らかにし,微粒子化またはカセル化を引き起こすパラメータ領域や,電気,流体特性を解析的に予測することを目的とする.
当該年度は,ジェットと同軸にある電導性の円筒シース上で与えられた外部電場の効果を考慮した解析を行った.外部電場はジェット周囲及び内部電場を決定し,ジェット表面に分布する電荷に力を及ぼし,ジェットの崩壊形状に大きな影響を与える.この電場解析の結果とジェット部に対して用いた長波近似により,周囲電場の影響を考慮した非線形のジェットの発展方程式を新に導出した.比較的大きなウェバー数に対して,ノズル先端部より噴出したジェットが不安定性と電場の影響により崩壊する様子を数値解析により種々のパラメータに対して調べ,以下の結果を得た:(i)軸方向電場の増加と流体の電気伝導性の減少につれて,ジェットの崩壊形状は,先端部に大きな液滴を伴うジェッティングモードから,マイクドロップになるスプレーモードを経て,先端部に液滴を伴わないスピニングモードへと遷移する.(ii)ジェットとシース間の距離は主にノズル付近でのテーラーコーン部の形状に影響を与え,シースまでの距離が増加するにつれて電場の影響は弱くなる.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

3: やや遅れている

理由

単相ジェット周囲の電場解析に予想外の時間がかかった.本解析では,ジェット周囲に同軸の電導性シースを仮定し,シース上での電場が強制力として与えられる.この時,ジェット内外部の電場は,ジェット表面での電荷分布とシース上での電場の相互作用として決定され,さらに,電荷分布はジェット形状の影響を受け,ジェット形状は内外の電場により影響を受ける.そのため,より厳密な電場解析がより正確なジェットの振る舞いを与える.

今後の研究の推進方策

単相ジェットに関する解析はほぼ終了したので,複合ジェットの解析に移る.原理的には,これまで行った解析手法を用いることができるが,コア部の解析に加え円筒部の解析を行う必要があり,さらに,崩壊形状を調べるための数値解析コードを新に作成する必要がある.

次年度の研究費の使用計画

解析に関しては理論解析に不十分な点が見つかり補強を行っていたため,当初に計画していた新たな数値解析のための計算機部品の導入が遅れた.また,全体的に研究の進捗が若干遅れており,当初予定していた成果発表のための学会出張ができなかった.このため,物品費および旅費が当初の予定よりも少なくなっている.
当該年度予定していたが使用できなかった計算機関連費と学会出張旅費は次年度使用の予定である.

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2014 2013

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 1件) 学会発表 (4件)

  • [雑誌論文] 静電場中での液柱ジェットの安定性と崩壊2014

    • 著者名/発表者名
      岩井孝澄, 吉永隆夫
    • 雑誌名

      日本機械学会関西支部講演論文集

      巻: 144 - 1 ページ: 9-27, 9-27

  • [雑誌論文] Breakup of a Liquid Column Jet in a Static Electric Field2013

    • 著者名/発表者名
      T.Yoshinaga and T.Iwai
    • 雑誌名

      Theoretical and Applied Mechanics Japan

      巻: 62 ページ: 219, 226

    • 査読あり
  • [雑誌論文] 非ニュートン粘性複合ジェットの崩壊とカプセル形成領域2013

    • 著者名/発表者名
      吉永隆夫, 松本和樹
    • 雑誌名

      数理解析研究所講究録

      巻: 1847 ページ: 54, 63

  • [雑誌論文] 複合ジェットにおける濃度マランゴニ効果2013

    • 著者名/発表者名
      吉永隆夫,中山豪
    • 雑誌名

      日本物理学会講演概要集

      巻: 68 - 2 ページ: 219, 219

  • [学会発表] 静電場中での液柱ジェットの安定性と崩壊2014

    • 著者名/発表者名
      岩井孝澄, 吉永隆夫
    • 学会等名
      日本機械学会 関西支部
    • 発表場所
      大阪府立大学
    • 年月日
      20140317-20140320
  • [学会発表] 複合ジェットにおける濃度マランゴニ効果2013

    • 著者名/発表者名
      吉永隆夫,中山豪
    • 学会等名
      日本物理学会
    • 発表場所
      徳島大学 常三島キャンパス
    • 年月日
      20130925-20130928
  • [学会発表] 液柱ジェットの崩壊のおける外部電場の影響2013

    • 著者名/発表者名
      岩井孝澄,吉永隆夫
    • 学会等名
      日本流体力学会
    • 発表場所
      東京農工大学 小金井キャンパス
    • 年月日
      20130912-20130914
  • [学会発表] 複合ジェットの安定性に及ぼす濃度マランゴニ効果2013

    • 著者名/発表者名
      吉永隆夫,中山豪
    • 学会等名
      日本流体力学会
    • 発表場所
      東京農工大学 小金井キャンパス
    • 年月日
      20130912-20130914

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公開日: 2015-05-28  

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