Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

磁性流体 / 自然対流 / 磁場制御 / 伝熱促進 / 数値解析 / 有限要素法 / 構成方程式 / スロッシング / 非ニュ-トン流体 / 極性流体 / 熱対流 / マイクロ・ポ-ラ流体

磁性流体の自然対流に関する実験および数値解析を行なった。実験は立方容器内,立方容器内に水平におかれた加熱円柱回りおよび二重円筒容器内の自然対流の温度分布が外部磁場によって,いかに制御されるかを調べた。壁面温度の可視化に液晶板を用いた結果,印加磁場が磁性流体の自然対流に及ぼす影響が容易に確認できた。また,立方容器内に満たされた磁性流体の自然対流の数値解析を行ない,その結果は定性的に実験結果と良好に一致した。
つぎに,磁性流体の伝熱特性を調べる基礎方程式および構成方程式に関する研究では,熱刀学的な考察を基礎としてそれに標構無差別性の原理,基本不変量の理論および最大散逸速度の原理を取り入れた構成方程式の新しい誘導方法を堤案した。この手法によって,構成方程式が標構無差別性の原理を満足すると同時に,磁性流体の持つ粘弾性効果,極性効果,導電性効果,非線形効果などを統一的に扱う基礎方程式を得ることが初めて可能となった。この手法を用いて,非極性の場合の非導電性および導電性の磁性流体の構成方程式を誘導した。
磁場制御による磁性流体のスロッシングでは,磁性流体が満たされた水宇振動する矩形容器および軸対称容器(円筒容器および球形容器)下部より垂直磁場を印加した場合の自由表面の挙動を調べた。特に液面変位の周波数応答に着目して実験を行った。そして磁性流体の垂直磁場作用下における固有角振動数を微小振幅波理論により求め,実験結果と比較検討した。また,磁性流体の内部挙動を調べるにあたり,有限要素法を用いた数値解析において,スロッシングの過渡現象における2次渦の発生が予測された。スロッシングの状況下おける磁性流体の伝熱に関してはいまだ未解決のところが多い。

磁性流体 / 磁場 / 数値解析 / 有限要素法 / 差分法 / 非ニュートン流体 / 構成方程式 / 自然対流

見掛け上強い磁性を有する流体として磁性流体が開発され, その特性を生かした新しい応用開発研究が各方面で活発化している. それに呼応して流体工学の新分野としての磁性流体工学の研究領域が確立されようとしているが, その包含する研究領域は広範で複雑であるため, 磁性流体の流動現象を解明するには実験ならびに数値解析が不可欠となる. 最近のコンピュータ演算能力の飛躍的発達に伴い, 従来困難であった数値計算が可能になってきており, 複雑な基礎方程式系を有する磁性流体の数値解析も可能となってきた. そこで, 本研究では各種の数値解析手法を検討し, 磁性流体の様々な流動解析を行い, 実験によって数値解析の妥当性を確認することを見的としている. まず, ニュートン流体に対する安定かつ高速な有限要素法の新しい数値解析アルゴリズムを開発し, 他の研究者による実験結果との比較・検討を行った. 本手法を正方形キャビティ内の流れおよび円柱まわりの流れに適用した結果, 計算スピードは従来の有限要素法に比較して十倍以上速く, 計算時間と容量は差分法と同程度であった. また, 計算精度も高精度であることが確められた. 円柱まわりの高レイノルズ数流れにおいては, 非常に安定な数値解法で, 二次渦の変化やカルマン渦列の発達過程を調べることができた. つぎに正方形容器内に満たされた磁性流体の自然対流の数値解析を行った. その結果, 外部磁場の印加方向, 磁場勾配の磁性流体の自然対流におよぼす影響が明らかになった. また, 数値解析の妥当性を確かめるべく, 同じモデルを用いた実験を行った. 感温液晶を用いて流れ場および温度場の可視化実験を行った. その結果, 印加磁場方向を変化させることにより磁性流体の自然対流が逆転する様子が明らかとなった. 内部の温度分布は数値解析結果と良好に一致した.

【研究分担者】
澤田達男	慶應義塾大学	理工学部	助手	(Kakenデータベース)
棚橋隆彦	慶應義塾大学	理工学部	教授	(Kakenデータベース)