粉粒体の流れに現れる密度波と1/fゆらぎの研究

研究颗粒材料流动中出现的密度波和 1/f 波动

• 批准号: 10740196
• 负责人: 中原 明生
• 金额: $ 1.41万
• 依托单位: Nihon University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 1998
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1998 至 1999
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-10740196/
• 关键词: 粉粒体; 1; fゆらぎ; パワースペクトル; パイプ流

垂直に立てたパイプ中に粉粒体を流すと、状況に応じて粉粒体は一様には流れず高速道路の渋滞で見られるような密度波を生じる。我々はパイプ中の密度波とそれに伴って生じる1/fゆらぎのメカニズムを調べるために、パイプ中の粉粒体の占有率(packing fraction)をパラメーターとして変化させた実験をおこない、粉粒体の流れの時間・空間構造がどう変化するかを調べた。具体的には、高速度ビデオカメラを用いてパイプ中の粉粒体の流れを画像として取り込み、コンピューターで画像解析した。取り込んだ空間構造をフーリエ解析して散乱関数S(k)を求めたところ、粉粒体のpacking fractionが低い時は粉粒体の流れがほぼ自由流となっており散乱関数の低波数成分がほぼフラットになっているが、packing fractionが大きくなると散乱関数は特徴的な波数にピークをもち(この波数が渋滞の空間構造に対応)流れは渋滞流へと転移することが分かった。次に、時間構造をフーリエ解析すると、自由流においてはパワースペクトルP(f)は空間構造と同様低周波数成分がフラットとなりランダムノイズに近いが、渋滞流では低周波成分に強い構造をもち渋滞に特有な長時間相関が生じていた。また、自由流から混雑流へと変化する中間密度領域においてパワースペクトルP(f)が1/fゆらぎに従うことがわかった。ところが、先ほどおこなった空間構造の解析によると、1/fゆらぎの発生時の散乱関数S(k)はべき的ではなく空間構造は臨界的(フラクタル的)にはなっておらず、渋滞・非渋滞相転移の臨界性から来ているのではないことも分かった。最後に、時空構造を解析するために、鉛直下方向のパイプ中の流れを1次元に縮約し、時間発展を横方向に並べた時空構造図を作成し、2次元的なフーリエ解析をおこなった結果、マクロなクラスターの伝播速度のゆらぎは自由流から渋滞流への転移の際に増大することがわかった。

In the vertical に made て た パ イ プ に powder granule を flow す と, condition に 応 じ て powder granule は a others に は flow れ ず high-speed road の 渋 hysteresis で see ら れ る よ う な density wave を raw じ る. I 々 は パ イ プ と の density wave in そ れ に with っ て raw じ る 1 / f ゆ ら ぎ の メ カ ニ ズ ム を adjustable べ る た め に, パ イ プ の in powder granule の share (packing Fraction) を パ ラ メ ー タ ー と し て variations change さ せ た be 験 を お こ な い, powder, granule の れ の time, space structure が ど う variations change す る か を adjustable べ た. Specific に は, high speed ビ デ オ カ メ ラ を with い て パ イ プ の powder granule の flow in れ を portrait と し て in り 込 み, コ ン ピ ュ ー タ ー で portrait parsing し た. Take り 込 ん だ space structure を フ ー リ エ parsing し て scattered masato number (k) S を o め た と こ ろ, powder, granule の packing fraction が low い は powder granule の flow れ が ほ ぼ free stream と な っ て お り scattered masato number の low wave number component が ほ ぼ フ ラ ッ ト に な っ て い る が, packing Large fraction が き く な る と scattered masato number of 徴 は な wave number に ピ ー ク を も ち (こ の wavenumber が 渋 hysteresis の space structure に 応 seaborne) flow れ は 渋 stagnation へ と planning move す る こ と が points か っ た. に, time structure を フ ー リ エ parsing す る と, free flow に お い て は パ ワ ー ス ペ ク ト ル P (f) は と space structure with others in number of low-frequency components が フ ラ ッ ト と な り ラ ン ダ ム ノ イ ズ に nearly い が stagnation, 渋 で は strong low frequency component に い tectonic を も ち 渋 hysteresis characteristic な に long phase masato が raw じ て い た. ま た, free flow か ら mixed flow 雑 へ と variations change す る middle density field に お い て パ ワ ー ス ペ ク ト ル P (f) 1 / f が ゆ ら ぎ に 従 う こ と が わ か っ た. と こ ろ が, first ほ ど お こ な っ た space structure analytical に の よ る と, 1 / f ゆ ら ぎ の 発 he の scattered masato number (k) S は べ き of で は な く は critical space structure (フ ラ ク タ ル) に は な っ て お ら ず planning, hysteresis, non 渋 渋 lag phase shift の criticality か ら to て い る の で は な い こ と も points か っ た. Finally に, space-time structure analytical す を る た め に, vertical direction の パ イ プ の flow in れ を 1 yuan に contraction し, time 発 exhibition を に and transverse direction べ た space-time structure 図 を make し, 2 dimensional な フ ー リ エ parsing を お こ な っ た results, マ ク ロ な ク ラ ス タ ー の 伝 sowing speed の ゆ ら ぎ は free stream か ら 渋 stagnation へ の planning to move the event の に raised large す る こ Youdaoplaceholder0 った.

项目成果

Akio Nakahara: "Experimental work on granular flow through a pipe"Miyazaki University of Technical Report Series in Applied Mathematical Sciences. 2. 44-46 (2000)

Akio Nakahara：“通过管道的颗粒流的实验工作”宫崎大学应用数学科学技术报告系列。

Akio Nakahara: "1/f noise in pipe flow" NATO ASI Series E : Applied Sciences. 350. 533-538 (1998)

Akio Nakahara：“管道流中的 1/f 噪声”NATO ASI 系列 E：应用科学。

Akio Nakahara: "1/f noize in granular flow through a pipe"AIP Conference Proceedingsi Slow Dynamics in Complex Systems. 469. 134-135 (1999)

Akio Nakahara：“通过管道的颗粒流中的 1/f 噪声”AIP 会议论文集复杂系统中的慢速动力学。

Akio Nakahara: "Spatial structure of granular flow through a pipe"AIP Conference Proceedingsi statistical physics. (in press). (2000)

Akio Nakahara：“通过管道的颗粒流的空间结构”AIP 会议记录统计物理学。

Akio Nakahara: "1/f noise in granular flow through a pipe" AIP Conference Proceedings : Slow Dynamics in Complex Systems. (1999)

Akio Nakahara：“通过管道的颗粒流中的 1/f 噪声”AIP 会议记录：复杂系统中的慢速动力学。