Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

流体工学 / 固体地球惑星物理学 / 計算力学 / 火山爆発 / 破砕 / き裂 / フェーズフィールド法 / 火山 / レオロジー / 可視化 / シミュレーション工学

爆発的火山噴火のトリガーである発泡マグマの破砕過程を解明するための室内実験と数値シミュレーションを進めた．まず，X線CT撮影により内部の3次元空隙構造を把握した発泡マグマ模擬材料を用いた急減圧実験，その試料の応力分布を算出する３次元有限要素法解析から，き裂進展のきっかけとなる気泡周りの応力集中と実験で見られたき裂発生箇所が良く一致することを示した．次に，フェーズフィールド法と有限要素法のカップリングによる，マクスウェル粘弾性体内き裂進展計算ソルバを開発した．モデル計算として，切欠きを有する２次元平板の一軸引張過程を解いたところ，粘度の違いによるき裂進展過程の変化をとらえることに成功した．

シミュレーション工学 / 数理物理 / 音響学 / 分子動力学 / 可視化

これまで断熱系として論じられてきた音の伝搬であるが非常に細い管の中などでは熱の移動を無視できない状態となる。本研究では、分子動力学法を導入した音波伝搬の計算、音場の解析を行い、さらに音場に影響を及ぼさない音場測定手法を実現し、計算と実験の両面から熱の移動を無視できない状態の音場を解明することを目的とする。
分子動力学法を用いることにより熱の移動を考慮した音場計算を可能とした。また、非線形音場の解析手法を提案し、種々の非線形現象の計算を可能とした。さらに、レーザや高速度カメラを用いた音場に影響を及ぼさない音場測定技術を確立、計算と実験の両面から現象を解析し、細い管の中の音場の挙動を確認した。

生物シミュレーション / 神経科学 / 生物物理 / 可視化技術 / 確率シミュレーション / Caイメージング / 開口放出 / システム生物学 / 生体・生命情報学 / シミュレーション科学 / 可視化 / シミュレーション工学

神経および分泌性細胞において、細胞内から特定の物質を分泌する開口放出メカニズムについては広く研究が進められているが、定量的に理解するためのモデルは必ずしも十分に整備されていない。本研究では、(1)開口放出メカニズムを解析するための新規なイメージング技術の開発と、(2)定量的な理解を行うためのモデルの構築を行った。(1)では、開口放出をトリガーする細胞内カルシウム濃度変化と開口放出を定量的にイメージングする系を構築した。蛍光を2光路に分離取得する光学系を構築し、細胞内カルシウム濃度変化を蛍光色素Fura-redで、開口放出はPC12細胞内の小胞に存在するニューロペプチドYを蛍光ラベルすることにより行った。細胞に刺激を加えたところ、一過的な細胞内カルシウム濃度上昇に数秒遅れて開口放出が始まることを、個々の細胞毎に初めて計測することに成功した。また(2)に関しては、従来連続系のシミュレーションが行われていたのに対し、小胞数が極めて少ないことを考慮し、確率事象としてシミュレーションを行うことを検討した。確率シミュレーションで実績があるGillespie法を開口放出シミュレーションに適用し、小胞と細胞膜との相互作用を5つの状態に分けて、その状態間を遷移する様子をシミュレートしたところ、細胞内カルシウム濃度上昇に伴う開口放出現象を再現することに成功した。また最近になって報告されてきている逐次開口放出現象に関しても、本シミュレーションを多段に組むことにより再現可能であることを示した。さらに開口放出を修飾するタンパク質についても考慮し、細胞内セカンドメッセンジャー濃度変化に伴う開口放出現象の増加についても、シミュレートすることができた。これら新規なイメージング技術とシミュレーション技術の組み合わせは、システム生物学の新しい方向性を示すものであり、医学・創薬研究にも資するものである。

流体工学 / 数値流体力学 / 乱流 / 反応流れ / シミュレーション工学 / 可視化 / 火炎 / ラージ・エディ・シミュレーション / flameletモデル / スプレー流れ / 燃焼器

資源や環境の有限性が具体的に意識されるようになった今日、特にエネルギー環境問題において重要な位置を占める産業用ガスタービンや輸送機器エンジン等の燃焼流れを対象に、Flameletアプローチに基づくラージ・乱流燃焼場ラージ・エディ・シミュレーション(LES)による数値解析モデリングを確立して、代替燃料や厳しい環境規制に対応しうる合理的な燃焼流れ設計法としての導入を図ることを目的とした。この解析法をマクロスケールでは実用に即した流れ条件にも拡張すること、メゾスケールでは非予混合火炎における不均一な化学反応効果をモデル化すること、ミクロスケールには粒子や火炎内部の現象をデータベース化することによって、より広範囲な燃焼流れ問題に対応し得る数値予測法を開発するにあたり、解決すべき3つの課題を取り上げて以下の成果を挙げた。
(1)燃焼流れの特性を予測し得る乱流解析モデルの研究として、乱流LESとflameletアプローチに基づく解析法を提案した。特に、予混合火炎面に対するG方程式モデルと拡散火炎に対する保存スカラーモデルを連成した2スカラーflameletモデルを提案し、これを実用ガスタービン燃焼器の乱流燃焼予測に適用し、その有効性と問題点を明らかにした。
(2)流れ変動と干渉する化学反応効果の抽出の研究として、流れ変動と化学反応の干渉の複雑な干渉を検討する1ステップとして、スプレー噴霧によるバーナ燃焼を取り上げて、乱流中と粒子の運動、蒸発、燃焼の過程をLES法に基づきモデル化し、実験計測データとの比較によって、物理過程モデルの有効性を検証した。
(3)マルチスケール連成解析における数値計算・可視化の融合技術の研究として、可視化画像を用いた計測法を取り上げ、噴霧流れを対象に計測技術の基礎的な研究を行うとともに、可視化計測と数値シミュレーションを融合した可視化処理システムに関する研究を行った。

【研究分担者】
山中晃徳	東京農工大学	大学院工学研究院	准教授	(Kakenデータベース)

【研究連携者】
市原美恵	東京大学	地震研究所	准教授	(Kakenデータベース)
奥村聡	東北大学	大学院理学研究科	助教	(Kakenデータベース)
上杉健太朗	高輝度光科学研究センター	利用研究促進部門	研究員	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
堀田耕司	慶應義塾大学	理工学部	助授	(Kakenデータベース)

【研究分担者】
大島まり	東京大学	生産技術研究所	教授	(Kakenデータベース)
佐賀徹雄	東京大学	生産技術研究所	助手	(Kakenデータベース)
栗原央流	北海道大学	大学院・工学研究科	助手	(Kakenデータベース)