【研究分野】連携探索型数理科学

【研究領域課題番号】16KT0024 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

複雑流体 / キャビテーション / マルチスケール構造 / ナヴィエ・ストークス方程式 / 非平衡熱力学 / 確率微分方程式 / 数理モデリング / Stokes方程式 / Glauber-零レンジ過程 / Navier-Stokes方程式 / シュレーディンガー方程式 / 複雑現象 / ナビエ・ストークス方程式 / 変分的定式化 / 非定常現象 / 非圧縮生流体 / 多成分 KPZ 方程式 / マルチシンプレクティック構造 / 粗視化モデル / マルチスケール / 流体力学 / 幾何学 / 衝撃波

【研究成果の概要】

複雑な流体現象の数理的モデリング，マルチスケール現象に関する偏微分方程式及び確率微分方程式に関する数学解析，非線形力学の応用について研究を推進した．複雑な流体現象の数理的モデリングでは，非平衡熱力学系のラグランジュ的な変分的定式化，キャビテーション気泡クラウドのモデリングと実験的検討，レイリー・ベナール対流に現れるLCS構造の解明，確率的な気泡ダイナミクスの変分的定式化と解析を行なった．数学解析では，ナヴィエ・ストークス方程式の2相問題の解の存在一意性，確率偏微分方程式である多成分KPZ方程式や修正KdV方程式等について調査した．また，LCS解析の宇宙機の軌道設計への応用などについて考察した．

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2016-07-19 - 2019-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】航空宇宙工学

【研究領域課題番号】24656516 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

微粒化 / キャビテーション / レーザーブレイクダウン / 放電 / 液体ジェット / 気泡崩壊 / 推進・エンジン / 衝撃波 / 二相流

【研究成果の概要】

レーザーブレイクダウンおよび放電を利用して体内でブレイクダウンし，衝撃波，気泡との干渉および気泡崩壊により局所高圧力場を形成し，それにより液体を噴射するメカニズムを実験により調べた．レーザー照射の場合，ビームウェスト上流に多数の気泡が形成され，気泡同士の干渉が観察された．気泡は膨張した後，収縮する．ノズルの噴射口から，レーザーの照射および気泡の収縮・崩壊に対応していると考えられる液体の噴射が確認された．二段目の噴射は非常に強力であり，その遅れ時間は気泡寿命とキャビテーションを含む液体の音速で推測された．放電においても，電極間隙に気泡が確認され液体の噴射が確認されたが，レーザーと比べて弱かった．

【研究種目】挑戦的萌芽研究

【研究期間】2012-04-01 - 2014-03-31

【配分額】4,030千円 (直接経費: 3,100千円、間接経費: 930千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】12750155 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

凝固 / 水 / 過冷却 / 氷 / 衝撃波 / 氷核発生 / キャビテーション

【研究成果の概要】

水への動的な外乱の付与は、過冷却水の凝固に最も効果的な方法の一つである。本研究では、微弱な衝撃波を付与することによって、過冷却水を凝固させ、その効果・メカニズムについて検討することを目的としている。本年度は、過冷却水に衝撃波を付与し、凝固に与える影響を観察・分析した。サンプル容器には円柱型のシリンジを採用した。シリンジ内部には目視できる直径100μm以上の大きさの気泡を除去した超純水1cm^3が注入されており、水上面をオイルで覆われた構造になっている。また、シリンジ全体は冷却槽内に一定過冷度で保持されている。このオイル上面にピストンを落下し、オイルおよび水の内部に衝撃波を伝播させ、サンプル温度および衝撃波の圧力を測定した。その結果、衝撃波を付与しない場合、平均過冷度12Kで自然解消した。一方、衝撃波を付与した場合は、比較的高い圧力の衝撃波を付与した時に過冷度1K〜5Kの範囲でほぼ100%凝固し、低い圧力の衝撃波を付与した時はほとんど凝固しないことがわかった。一方、目視できる気泡を水中に設置したサンプルでは、比較的低い圧力でも凝固することが分かった。気泡を水中に設置した場合について、凝固した箇所をビデオカメラで確認した結果、気泡が砕ける現象が確認でき、砕けた無数の気泡から氷核が生成していることがわかった。また、衝撃波の波形について解析した結果、キャビテーションを発生する超音波と同程度の周波数と音波強度を持つことが分かった。以上のことから、衝撃付与による過冷却解消のメカニズムは、キャビテーションによる氷核生成と考えられる。また、目視できないような気泡が存在する水中においては、微小な気泡のキャビテーションを発生させるために、衝撃波の圧力を比較的高くする必要があったと考えられる。

【研究種目】奨励研究(A)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】2,300千円 (直接経費: 2,300千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】62460096 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

高速液体噴流 / 噴流衝撃力 / ノズル / ピストン衝撃圧 / 非定常流 / 水中衝撃波 / 相変化 / 圧縮性液体の数値解析 / パルスジェット / 圧縮性流体の数値解析 / 気液二相流 / 衝撃波 / 噴流の衝撃力 / 非定常流の数値解析 / キャビテーション

【研究成果の概要】

ピストン衝撃圧により駆動される200〜500m/s級の高速液体噴流について、ノズル内流れの数値解析と大気中の噴流挙動に関する実権を行ない、ノズル形状の影響を調べた。ノズルは、出口径5〜10mmの同筒型、テ-パ型の物を用いた。数値解析では、差分法を用い、気中噴流については、Xeフラッシュ光とパルス・ルビ-レ-ザ-ホログラフィ-による高速瞬間撮影、He-Neレ-ザ-による噴流先端速度の測定、水晶圧電素子による噴流衝突圧力の測定を行った。以上より次のような成果が得られた。(1)ボイドの発生・消滅を伴う気液二相流の過渡現象に対し、二段階ラックス・ヴェンドロフ法に人工拡散を付加し、拡散係数をFCT法によって調節すれば、安定で鮮度的にも満足な数値解がえられる。(2)ノズル内流れは静止状態から短い立ち上がり時間の後、準定常流となり、ピストンの減速に応じてノズル出口速度が徐々に低下する。このとき円筒ノズルでは強い縮流が発生し、その周囲は高ボイド率の剥離領域になり、ノズル出口部では速度低下によって低ボイド率のボイド領域が発生する。テ-バ-ノズルでは円筒ノズルに比べ準定常になるまでの時間が長い、水柱内にもボイド領域が発生し、水領域との境界に不連続が発生する。(3)ノズル内流れが定常になるという仮定のもとに、噴流速度の最大値を予測する簡単な近似式を得た。近似式はテ-パノズルよりも円筒ノズルの場合によく成り立つ。(4)噴流先端速度は、円筒ノズルでは低い速度から増加し、テ-パノズルでは高い速度から減少する。これはテ-パノズルでは初期加速がインパルス的なのに対し、円筒ノズルでは、単調に増速するためである。(5)噴流の形成初期にはノズル出口の速度変動に基づき噴流同士の激しい衝突が生じ噴流中には笠状の乱れが生じる。(6)噴流の衝突圧力は噴流速度や距離ばかりでなく、ノズル形状の違いによる噴流の構造にも大きく依存する。

【研究種目】一般研究(B)

【研究期間】1987 - 1989

【配分額】6,700千円 (直接経費: 6,700千円)