磁性流体のスパイク状不安定波の周波数応答

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本研究では鉛直交流磁場作用下でのスパイク状突起の挙動に関して,まずスパイク形状を半回転楕円体と仮定して近似解析を行い,さらに高速度ビデオカメラやレーザ外径測定器等を用いてスパイク形状や印加磁場に対する振動の周波数特性を実験的に調べた.また,SOLA-VOF法によってスパイク形状や,スパイク内部の流動の様子の数値解析を行い次の結論を得た.[近似解析](1)振幅の周波数特性について共振周波数が存在し,その約0.5倍,2倍の周波数においてスパイクの高さ変化の波形に乱れがみられる.(2)スパイクは印加磁場周波数の倍の周波数で振動するが,共振周波数は2倍の周波数近傍では印加磁場周波数と同じ周波数で振動する.(3)液滴体積の増加に伴い共振周波数は下がり,その影響は印加磁場強さの影響よりも顕著である.[実験](1)液滴の振動パターンは,印加磁場周波数と同じ周波数で振動する場合が1通りと2倍の周波数で振動する場合が2通りある.(2)印加磁場周波数の2倍の周波数で振動する場合は単一スパイクを形成するが,印加磁場周波数と同じ周波数で振動する場合は単一スパイクとそれが分裂して生じる複数のスパイクとが交互に形成される.(3)スパイクの最高高さは周波数によらずほぼ一定である.(4)液滴振幅の共振周波数は近似解析で求められる周波数とほぼ一致している.(5)印加磁場周波数と同じ周波数の振動はある特定な周波数,印加磁場強さにおいて発生し,その発生領域に水平面で発生する振動不安定波の発生領域と酷似している.[VOF法による数値解析](1)液滴振動の3つの振動パターンについて,印加磁場周波数の2倍に周波数で振動するパターンについては振動の様子を再現することが出来る.(2)印加磁場周波数と同じ周波数で振動するパターンについては軸対称性が崩れている部分をのぞき,ほぼ再現することが出来る.(3)振動にみられる3つのパターンはスパイク内部の流動の周期と印加磁場の周期の違いによって発生する.