| 研究課題/領域番号 |
26709001
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
因幡 和晃 東京工業大学, 理工学研究科, 准教授 (00408725)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 材料力学・機械材料 / 連続体力学 / 流体構造連成 |
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| 研究実績の概要 |
流体から固体または固体から流体へと波動が伝播する連成現象の解明と極限事故に適用すべき境界条件の提案を目指して、固体表面状態の影響や流体の種類を変えて固液連成界面における波動伝播現象の学理を確立することを目的として研究を行った。
固体から液体へと平行な方向へと波動が伝播する詳細を明らかにするため、バッファ（ポリカーポネートあるいはアルミニウム）に飛翔体を衝突させて応力波を生成し、バッファ中を伝播する波動を水に入射させて固体から液体へと波動が透過後に伝播する挙動を測定した。水を充てんした円管を伝播する透過した水撃波動の振幅は、飛翔体、バッファ、水の運動量保存則から導かれるバッファの移動速度から計算される圧力振幅と、飛翔体とバッファが衝突した際に生じた応力波が円管内の水に透過した圧力振幅の和となる理論モデルを構築し、実験と比較してよく一致することを確認した。また、固体壁の表面状態を変化させた予備実験を行った。
また、液体から固体へと垂直な方向への波動伝播現象に関しては、固体壁近傍で水中火花放電を発生させて、気泡の膨張・収縮と崩壊時のジェットにより固体壁に作用する衝撃力を測定する実験・計測システムを構築した。固体壁の反対側にAEセンサを3個設置してシャープペンシルの芯圧折時に5 Nの圧縮荷重が解放される場合の音響波計測から伝達関数を決定し、気泡崩壊時の衝撃力を逆解析的に推定した。気泡崩壊時の衝撃力は数十Nになることを確認するとともに、高速度カメラと感圧紙でジェットが固体壁に作用する面積を推定して衝撃圧力は平均値として100 MPa程度になることを明らかにした。また、平板近傍での気泡崩壊ならびにキャビテーション壊食の実験も行った。
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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
平成27年度は、主として流体から固体または固体から流体へと波動が伝播する連成現象の解明に向けた研究を遂行する計画であり、当初の計画通り、固液連成界面に垂直な方向の波動伝播現象、すなわち、垂直火花放電による気泡崩壊時の衝撃力を測定するシステムを構築し、固体壁の材質を変えて衝撃力を測定した。さらに、ポンプの補修材料として今後用いられる可能性が高い高分子材料についてキャビテーション壊食試験を行うとともに、高分子材料に作用する衝撃力についても構築したシステムで測定し、破壊・損傷のメカニズムについて考察を行った。
また、固液連成界面に平行な方向の波動伝播現象として、固体表面が平坦な場合の数値解析結果は実験結果と概ね一致することを確認した。また、固体から液体への波動伝播の理論モデルを構築し、実験と良く一致していることを確認することでモデルの妥当性を検証した。さらに、固体表面の濡れ性を変えた予備実験では、引張波が入射する場合にキャビテーション気泡生成の様子が異なることを発見している。また固体表面の凹凸形状を変化させる予備実験も行い、反射・透過の際に圧力振幅が変化することを確認した。現在は、これらの実験条件に合わせて数値解析を実施しており、実験と数値解析を比較して適用すべき境界条件の検証を進めている。
以上より、概ね研究は順調に進展していると判断した。
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| 今後の研究の推進方策 |
平成28年度は、これまでの総括として、固液連成界面に垂直な波の伝播および平行な波の伝播における実験結果、数値解析結果、理論モデルの比較を行い、極限状態に適用できる境界条件を提案するとともにその妥当性を検証する。
固液連成界面に垂直な波動伝播では、実験において固体表面の濡れ性と凹凸を変えて界面で反射・透過した波動の振幅を測定し、圧力振幅を予測するための理論モデルの構築、ならびに数値解析で再現するための境界条件、キャビテーション生成を考慮できる流体の破壊モデルを検証する。これまで粘着材に気泡が生成する条件について研究を進めており、同様の条件で気泡が生成する場合などを考えながら理論モデルと実験結果との比較を行い、適用すべき破壊モデル等の検討を進める。また、固液連成界面で使用される境界条件について検討を進め、実験結果を再現できる境界条件の提案と妥当性の検証を行う。
固液連成界面に平行な波動伝播については、水中火花放電により様々な材質と厚さの固体壁近傍で気泡を生成・崩壊させて衝撃力を計測して、作用する衝撃力を予測できる理論モデルを構築するとともに、気泡崩壊時に観察される流体ジェットの向きが固体壁の材質や厚さによって変化することから、ジェットの向きを予測するための理論モデルについても検討を進める。さらにこれまでの成果をポンプなどの補修材料における耐キャビテーション壊食の評価に適用することで、材質が変化することで作用する衝撃力が異なる影響を考慮した評価を実施する。
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