2014 Fiscal Year Research-status Report
濃度界面の微視的解釈および固液流動系の能動的制御への応用
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26420095
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
原田 周作 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80315168)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山本 恭史 関西大学, 工学部, 准教授 (90330175)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 微粒子分散系 / 沈降 / 集団性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体中に不均一に分散した固体微粒子の重力沈降挙動について，その集団性を理解し，沈降速度や分散挙動を能動的に制御することを目的とした研究を行った．懸濁微粒子が純粋な液体との間に形成する濃度界面近傍における粒子運動の詳細について調べるために，沈降実験，線形安定性解析および2種類の数値計算を実施した．数値計算は，巨視的な懸濁液の挙動に関してfront-tracking法による流体解析を行い，実効密度，実効粘性を持つ不混和流体としての懸濁液の運動を計算し，連続体としての界面不安定の支配波長および時間成長率を実験および安定性解析の結果と比較した．さらに，point force modelに基づく粒子流動解析を同時に行い，離散体としての粒子の沈降解析を行った．数値解析結果から，懸濁部への浸透流がどの程度存在するのかを調べることにより，濃度界面の遮蔽性に関する定量的な考察を行った．
上記の検討から，懸濁液の濃度界面は，集団性が十分大きい場合には個々の粒子が作り出す流れによって外部からの流体の侵入を抑制すること，またその場合，濃度界面は混和界面と不混和界面の両方の性質を併せ持ち，界面不安定の支配波長は線形安定性解析で予測される流路幅の2.31倍と一致することが示された．
さらに，工学的応用の観点から複雑流路中の粒子の集団沈降に関する実験を行った．フラクタル性を有する3次元複雑流路を作成し，集団的条件において懸濁粒子がどのように複雑流路中を分散するのかについて調べた．その結果，集団性が顕著な場合は，複雑流路中においても懸濁粒子は周囲流体と不混和な挙動を示すこと，沈降速度は各流路の断面形状によって決定されることなどが明らかとなった．さらにフラクタル流路中における粒子占有率は，流路の空間スケールに依存せず辺長比や相似比，分岐数といったフラクタル特性量のみによって決定されることを示した．
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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
研究目標の1つ目であった「濃度界面不安定が成長する過程において懸濁粒子の集団性 (流体の遮蔽性) がどのように形成されるのかを解明する」については，実験と数値解析の比較によってほぼ解明された．また2つ目の目標である「集団性を粒子濃度や物性条件と結び付けることによって任意の懸濁条件における沈降速度を予測・制御する」に関しては，集団性が顕著な場合については達成され，現在，粒子の個別性が顕在する条件に関して引き続き実験を遂行中である．さらに目標の3つ目である「複雑流路において懸濁条件を操作することにより沈降速度と分散性を制御する」に関しては，限定された懸濁条件において一部達成された．
当初の研究計画では，複雑流路を用いた沈降実験は平成27年度以降に行う予定であったが，濃度界面の微視的解釈に関する研究目標が概ね順調に遂行できたため，平成26年度に前倒しして研究を行った．全体として研究計画よりも進展が速く，上記3つの目標の内1つがほぼ達成され，残り2つも順調に目標に近づいており，概ね順調に研究が遂行されたと判断している．得られた研究成果は，今後速やかに国内外の学会で発表を行い，国際的学術誌に投稿する．また学術講演会や産学官連携イベントなどで積極的に公表を行い，研究成果の普及に努める予定である．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに研究計画時の目標の1つであった「濃度界面不安定が成長する過程において懸濁粒子の集団性 がどのように形成されるのかを解明する」について，当初目標が概ね達成されたことから，今後は，残り2つの目標「集団性を粒子濃度や物性条件と結び付けることによる任意の懸濁条件における沈降速度の予測・制御」および「複雑流路中で懸濁条件を操作することによる沈降速度と分散性の制御」に絞って研究を行っていく．
達成された1つ目の目標に対しては，一部の結果に関しては既に投稿論文としてまとめており，残りの成果に関しても，国内外の講演会や投稿論文の形で積極的に発信を行っていく．2つ目の目標「集団性を操作することによる任意の懸濁条件における沈降速度の予測・制御」に関しては，計画通り引き続き沈降実験および数値計算を，より広範な条件で行っていく．
平成27年度は，3つ目の目標「複雑流路中での粒子沈降速度と分散性の制御」を中心に研究を行っていく．具体的には，平成26年度に作成したフラクタル流路を用いた実験をさらに広範な条件において実施し，構築した粒子分散モデルの妥当性について確認を行っていく．これらの研究に関しても，達成度に応じて国内外の講演会での発表や投稿論文による発信を随時行っていく．
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| Causes of Carryover |
予算は概ね予定通りに使用しているが，小額の差額が発生したため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
消耗品費として，シリコーンオイルの購入に使用する予定である．
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