2019 Fiscal Year Research-status Report
焼結ダストアグリゲイトから惑星はできるか？室内実験と数値実験による衝突現象の解明
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17K05631
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
城野 信一 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (20332702)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
桂木 洋光 名古屋大学, 環境学研究科, 准教授 (30346853)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 焼結 / 微粒子集合体 / バネ定数 / 有限要素法 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
惑星の形成過程の初期においてはダスト微粒子集合体の合体成長が重要になる．高温になると集合体は焼結を起こし，力学物性が大きく変化することが指摘されている．そこで焼結したダスト微粒子集合体の力学物性を明らかにするために，室内実験と有限要素法数値シミュレーションを行った．今年度は，「押し」以外の「曲げ」「すべり」「ねじり」モードのバネ定数の決定を目標に研究を行なった．「曲げ」モードのバネ定数を決定するための実験サンプルの作成を行なった．「曲げ」モードでは，ダスト微粒子の結合の向きに対して直角の方向に力をかける必要がある．一方の微粒子は動かないように固定し，反対側の微粒子には横から力をかける必要がある．そこで，「押し」モードで作成したサンプルの両端にサンプル固定のための領域を確保したサンプルを新たに作成した．
フリーソフトのFreeCADを用いてダスト微粒子結合部を再現するメッシュを作成した．このメッシュに荷重を加え，各頂点の変位を有限要素法によって計算する．有限要素法シミュレーションはフリーソフトcalculixを用いた．
もともとのSirono & Ueno (2017)のモデルでは，「押し」モードのバネ定数は結合部の半径が大きくなるとともに小さくなり，規格化すると1から0.5まで減少する．しかし室内実験および有限要素法シミュレーションの結果はSirono & Ueno (2017)のモデルよりもかなり小さい値を与えることがわかった．「曲げ」モードについては，焼結度が高い領域でバネ定数が3割ほど小さくなることが明らかとなった．今回得られたバネ定数の経験式を組み込んで，焼結した微粒子集合体の衝突シミュレーションを行なった．結果として，以前に発表した結果とほとんど変わらないことがわかった．これは，「曲げ」モードのバネ定数が大きくは変化しなかったためである．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
室内実験と有限要素法シミュレーションを用いることで，4つあるうちの3つの運動モードについてバネ定数を決定することができた．残っている一つについても間接的にはバネ定数を決定することができた．特筆すべきことは，今回新たに求めたバネ定数を用いて以前の数値シミュレーションを再度実行したところ，ほぼ変わらない結果が得られた点である．以前の指摘のとおり，焼結によって微粒子集合体の衝突が大きく影響を受けることが明らかとなった．現在は論文の投稿準備中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究課題として目標にしたバネ定数の決定はほぼ終了した．しかし，今回得られた結果をもちいておこなった衝突数値シミュレーションは二次元のものであるため，三次元のシミュレーションが必要である．得られた成果を学会などで発表したいのであるが，コロナの影響でどうなるかは現時点では不明である．
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| Causes of Carryover |
発表を予定していた研究集会が新型コロナウイルスの影響で軒並み中止になってしまったため．今年度得られた成果を翌年度に開催される学会などで発表を考えているものの，コロナウイルス の状況はまだ不透明である．
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