研究テーマ2022年度

　W-BOS(Wavelet based-Background Oriented Schlieren)法は，流体現象の密度勾配を可視化できる手法です．この手法には，可視化結果に定量性を有するという特徴があります．加えて，この手法では可視化結果を得るためにウェーブレット変換を用いた画像処理を行う必要があります．画像処理では，密度擾乱のない参照画像と密度擾乱による屈折光線で写像される計測画像の変位差を求めています．

　W-BOS法は新たな可視化手法として期待を寄せられている技術ですが，開発されて間もないため可視化手法として確立されていません．そのため，画像処理過程に発展の余地が多くあります．そこで，本研究では可視化に最適な実験条件を明らかにし，画像処理の精度を向上させることを目的としています．

　特に現在は，実験を網羅的に行い可視化結果への影響の解明や密度勾配分布から密度分布を得るための画像処理過程の改良を行っています．

衝撃波とは，超音速現象中に発生する非常に強い圧力波のことをいいます．そしてこの衝撃波は，通過した背後の圧力や温度などを急上昇させる特性を持っているため，高エネルギーな現象であると言えます．この特性に注目し，衝撃波を利用しようとする研究は数多くなされています．

本研究では，衝撃波の新たな応用先として，「衝撃波閉じ込め」を提案しています．衝撃波閉じ込めは，その名の通り「衝撃波を閉じ込める」ことで，「衝撃波が反射する」という特性を利用するものです．壁で囲んだ領域内で衝撃波を何度も反射させると，何度も衝撃波が通過することになり，さらに高エネルギーな領域になると考えられます．ただ，エネルギー保存の法則から，体積の同じ領域内でエネルギーが上がり続けることはあり得ません．そのため，本研究では衝撃波反射領域そのものも圧縮することで，高エネルギーな領域を得ようと考えております．これが可能になれば，高いエネルギーを必要とする素材生成の新手法などが期待できます．

しかしながら衝撃波閉じ込め現象に関する研究が少ないため，衝撃波閉じ込めを発生させ，それを制御するための指標が存在しません．

この指標を解明するため，本研究では三次元の数値解析をおこないます．解析対象のモデルは衝撃波管および1枚の壁面です．衝撃波管からは，衝撃波とその後方に高圧ガスをともなう流れが発生し，壁面で反射してきた衝撃波は高圧ガスの先頭でも反射します．加えて，衝撃波管から出てきた高圧ガスは壁面に向かって進展するため，ガス先頭-壁面間における衝撃波の複数回反射だけでなく，衝撃波反射領域そのものの圧縮も同時におこなえます．

高強度のパルスレーザーを固体ターゲットの表面に照射すると，表面の蒸発により高温の蒸気群（レーザー誘起プルーム）が放出されます．この現象はパルスレーザーアブレーション（PLA）と呼ばれます．雰囲気ガス中におけるPLAでは，超音速で膨張するプルームによって衝撃波が形成されます．プルームは時間とともに蒸気の状態から液滴へと成長し，最終的に雰囲気ガス中でナノ粒子が生成します．

ダブルパルスレーザーアブレーション（DPLA)は，2台のパルスレーザーおよび2つのターゲットを用いたPLAです．2つのプルームの混合により，最終的に雰囲気ガス中で複合ナノ粒子が生成します．DPLAでは，それぞれのプルームの前方に形成された衝撃波が，対向するプルームに衝突します．対向衝撃波の衝突は，プルームの時間的，空間的な膨張に影響を与えるため，ナノ粒子の成長過程を決定する重要な要因です．そのため，複合ナノ粒子の構造を制御するにあたり，対向衝撃波とプルームの衝突過程を解明する必要があります．しかし，対向衝撃波とプルームの衝突過程を実験により詳細に調べることは難しい点が問題点としてあげられます．

そこで本研究では，DPLAの現象をモデル化し，圧縮性流体力学に基づいた数値計算によって現象を解明します．数値計算では，短時間噴射する超音速噴流によってレーザー誘起プルームの放出を再現しています．実験から見積もることの難しい質量密度や圧力の分布をもとに，衝突過程について議論します．

　近年，樹液流量データをもとに解析することで，灌漑すなわち水やりの時期や量を自動的に調節することができるため，より誤差の少ない定量的な樹液流量測定手法が求められています．

　樹液流を測定するための手法として，樹液流量測定手法の一つである茎熱収支法(stem heat balance method)は，伝熱工学を背景とした樹液流量測定手法です．まず，膜状のヒータによって茎が加熱され，熱は茎や樹液を通して流れていきます．このときの熱の流れを茎表面に設置した温度センサーで測定することで，樹液によって運ばれた熱量を求めることができ，時間あたりの樹液流量を算出することができます．この手法は，非侵襲的かつ加熱も茎を傷めない程度でとどめることができるため，様々な植物の樹液流測定に用いられています．

　先行研究では，この茎熱収支法を用いた樹液流測定装置の測定精度向上を目的として，温度測定位置の変化が流量算出精度におよぼす影響について調べられました．この研究では，温度測定グループを4組設置し，ステンレスパイプ内部を流れる水量を変化させ，最適な温度測定位置を調べました．その結果として，最適な温度測定位置はヒータの中心から27.5mm離れた位置であることを突き止めました．この先行研究における問題点として，なぜ27.5mm で最も精度が良くなるのか明らかにされていないことがあげられます．

　本研究ではこれらの問題点の解決策として，熱流体解析を用います．これにより，装置内部の温度場および流れ場を用いて測定装置をより詳細に調べることが可能となります．本研究の大きな目的は，温度測定位置の変化が樹液流量算出精度におよぼす影響を，数値解析を用いてより詳細に調べることです．実験では測定が難しい装置内部の温度なども数値計算を用いれば知ることができるため，工学研究には欠かせない要素となっています．本研究はSDGsの目標第2番,12番および15番の3つに貢献します．

植物の樹液流量を測定することは育成管理に役立ちます．その樹液流量を測定する方法に茎熱収支(SHB : stem heat balance)法があります．

茎熱収支法で流量を測定するには，まず茎にヒータを巻き加熱します．次に熱電対で茎表面の温度を測定します．測定した温度から熱収支を求め樹液流量を算出します．この方法は植物の表面を加熱・測定するため傷をつけずに流量算出が可能です．

しかし流量や加熱量を変えた場合，最適な温度測定位置がまだ明らかになっていません．そこで本研究ではステンレスパイプを用いたモデル装置で実験を行い，温度測定に赤外線サーモグラフィを用いることを提案します．赤外線サーモグラフィを用いることでパイプ表面全体の温度分布を取り，最適な測定位置を調べます．

本研究はSDGsの目標第2番,12番および15番の三つに貢献します．

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福岡研究室では，企業との共同研究を通して，社会貢献に取り組んでおります．ペレット製造で使用される押出金型において，金型から流出するポリマーの速度は，ポリマーの品質を左右します．そして，アスカ工業が開発を進めている金型においても，押出金型から流出するポリマー速度は流出口によって速度が違うという課題をかかえていました．そこで，この課題を解決すべく，流出するポリマー速度を均等にできる押出金型の設計を目的とした共同研究が始まりました．我々はこの問題を解決するために，流路面積を広げるなど押出金型形状の改良をおこない，数値解析することで，流出するポリマー速度が均等になる最適な金型形状の研究を進めております．また，実際にポリマー速度を実験で測り，数値との比較も行っています．本研究はSDGsの「9. 産業と技術革新の基盤を作ろう」に貢献するとともに，奈良県の企業を発展させることにつながり，奈良県の地方創成に貢献します．