流体現象を伴う反応拡散波(ビッグウェーブ)のソリトン的挙動に関する研究

流体现象伴随的反应扩散波（大波）类孤子行为研究

• 批准号: 06835016
• 负责人: 三池 秀敏
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Yamaguchi University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1994
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1994 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-06835016/
• 关键词: 反応拡散波; ビッグウェーブ; ソリトン; BZ反応; 動画像処理; 流体現象

Belousov-Zhabotinsky(BZ)反応は、振動的な酸化還元反応として知られる。非攪拌のバッチリアクターでは、化学反応波の伝搬に伴う動的な空間パターン(スパイラルパターンや標的状パターン)が観測され、非平衡に特有な散逸構造が形成される現象として注目されている。研究代表者のグループでは、1)化学反応波に伴い伝搬する対流の存在、2)スパイラル波が発達したBZ反応溶液中に発生する振動的な流れ、3)大きな流体現象を伴いながら加速的に伝搬するビッグウェーブの存在、等を明らかにして来た。これらは、化学反応波自体が流体現象を誘起し、反応波と流れとに非線形結合によりパターンダイナミックスが発生することを示唆しているが、そのメカニズムは解明されていない。本研究では、励起の仕方により加速的に伝搬し大きな流体現象を伴うビッグウェーブと、一定速度で伝搬する通常のトリガ波の2種類の化学反応波の発生メカニズムの違いを明らかにすることを目的とした。研究目的達成のため、独自に開発を進めて来たレーザ光照明を用いた顕微鏡画像の動画像処理による速度計測法、倒立顕微鏡と光学干渉フィルタを用いた2次元スペクトル測光法、及びマッハツェンダー干渉計を用いた溶液界面の微少変形計測法等を導入し、BZ反応に伴う化学活性と流体現象を定量的に観測した。また、オレゴネータモデルによる反応拡散波のシミュレーションを併せて行なった。研究により得られた主な知見は、1)ビッグウェーブ発生時の誘起された流れの垂直速度分布の計測から、溶液界面での流れが強く、現象が界面に強く支配されていること、2)ビッグウェーブの発生に、用いる化学薬品の純度、純水の質の高さ、容器の清浄度等が大きく影響すること、3)ビッグウェーブに伴う流体現象の大きさと、反応波波頭での界面の変形の程度の相関が強いこと、4)長周期の振動反応系におけるトリガ波の発生としてモデル化した反応拡散波のシュミュレーションの範囲では、加速的な伝搬が再現できないこと、5)等価的に、拡散定数を時間と伴に増大させることで、ビッグウェーブの特徴の一つである加速的な伝搬が確認できたこと等である。これから、ビッグウェーブ発生のメカニズムとしては、化学反応波の波頭での反応物質濃度や温度の不均一に起因する、マランゴニ-不安定性が有力であることが結論付けられる。反応拡散の範囲でのシミュレーションの知見(拡散定数の時間増大)は、流れの発生に伴う化学反応波の波頭の変形、波頭での曲率の効果による伝搬波の加速の可能性を示唆している。今後、シミュレーションの2次元への拡張、マランゴニ-効果を組み込んだ現象のモデル化を進める必要がある。

Belousov-Zhabotinsky(BZ) inverse 応 応, vibrational な acidified reducing inverse 応と て know られる. Not stir の バ ッ チ リ ア ク タ ー で は, chemical 応 wave の 伝 に with う carry な space パ タ ー ン (ス パ イ ラ ル パ タ ー ン や mark shape パ タ ー ン) が 観 measuring さ れ and non-equilibrium characteristic な に が dissipation structure forming さ れ る phenomenon と し て attention さ れ て い る. Research representatives の グ ル ー プ で は and 1) chemical anti 応 wave に い 伝 move す る flow の exists, 2) seaborne ス パ イ ラ ル wave が 発 da し た BZ anti 応 solution に 発 raw す な flow れ る vibration, big 3) き な を fluid phenomenon with い な が ら accelerated に 伝 move す る ビ ッ グ ウ ェ ー ブ の exist, such as を Ming ら か に し て た. こ れ ら は, chemical 応 wave phenomenon of autologous が fluid を induced し, anti 応 wave と flow れ と に nonlinear combination に よ り パ タ ー ン ダ イ ナ ミ ッ ク ス が 発 raw す る こ と を in stopping し て い る が, そ の メ カ ニ ズ ム は interpret さ れ て い な い. This study で は, excitation の shi fang に よ り accelerated に 伝 し onto a き な を fluid phenomenon with う ビ ッ グ ウ ェ ー ブ と, a certain speed で 伝 move す る usually の ト リ ガ の 2 kinds の chemical anti 応 wave の 発 raw メ カ ニ ズ ム の violations い を Ming ら か に す る こ と を purpose と し た. Research purposes to achieve の た め, alone に 発 を into め て to た レ ー ザ lighting を with い た 顕 micromirror portrait の animation like 処 Richard に よ る speed measuring method, micro mirror inverted 顕 と optical dry involved フ ィ ル タ を with い た 2 dimensional ス ペ ク ト ル photometry and び マ ッ ハ ツ ェ ン ダ ー dry involved meter を with い た solution interface の less micro - shape measuring method を import し, BZ 応 Youdaoplaceholder0 accompanied by う chemical activity と fluid phenomenon を quantitative に観 measurement た た. ま た, オ レ ゴ ネ ー タ モ デ ル に よ る anti 応 company, scattered wave の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を and せ て line な っ た. Research に よ り have ら れ た な know Lord は, 1) ビ ッ グ ウ ェ ー ブ 発 he の induced さ れ た flow れ の vertical velocity distribution の measuring か ら, solution interface で の flow れ が strong く, strong phenomenon が interface に く dominate さ れ て い る こ と, 2) ビ ッ グ ウ ェ ー ブ の 発 に, use い る chemical 薬 の purity, high pure water の qualitative の さ, container の degrees at が き く influence す る こ と, 3) ビ ッ グ ウ ェ ー ブ に with う fluid phenomenon の big き さ と, anti 応 Bob で の interface の - の degree の phase masato が strong い こ と, 4) against 応 の vibration for a long period of time is に お け る ト リ ガ wave の 発 raw と し て モ デ ル change し た anti 応 company, scattered wave の シ ュ ミ ュ レ ー シ ョ ン の van 囲 で は, accelerate な 伝 move が reappearance で き な い こ と, 5) 価 に, company, such as constant を time と with に raised large さ せ る こ と で, ビ ッ グ ウ ェ ー ブ の, 徴 の a つ で あ る accelerated な 伝 move が confirm で き た こ と etc で あ る. こ れ か ら, ビ ッ グ ウ ェ ー ブ 発 raw の メ カ ニ ズ ム と し て は, chemical 応 の wave head で の や temperature anti 応 matter concentration の heterogeneity に cause す る, マ ラ ン ゴ ニ - labile が powerful で あ る こ と が conclusion pay け ら れ る. Anti 応 company, scattered の van 囲 で の シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の knowledge (raised large company, scattered destiny の time) は, flow れ の 発 raw に with う chemical anti 応 の wave head の - shape, wave head で の curvature の unseen fruit に よ る 伝 moving wave の accelerated の possibility を sucking in し て い る. In the future, シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の 2 dimensional へ の company, zhang, マ ラ ン ゴ ニ - working fruit を group み 込 ん だ phenomenon の モ デ ル change を into め る necessary が あ る.

项目成果

百田正弘,木村毅,三池秀敏: "動的光散乱法に基づく動画像処理によるブラウン粒子の粒径評価" 画像ラボ. 5. 50-53 (1994)

Masahiro Momota、Tsuyoshi Kimura、Hidetoshi Miike：“基于动态光散射的动态图像处理对布朗粒子的粒度评估”Image Lab。 5. 50-53 (1994)

三池秀敏: "動画像処理による速度・粒径計測" 光技術コンタクト. 32. 24-32 (1994)

Hidetoshi Miike：“使用视频图像处理进行速度和粒度测量”光学技术联系人。32. 24-32 (1994)

S.Kai and H.Miike: "Hydrochemical Soliton Due to Thermocapillary Instability in Belousov-Zbabotinsky Peaction" Physia A. 204. 346-358 (1994)

S.Kai 和 H.Miike：“Belousov-Zbabotinsky Peaction 中热毛细管不稳定性导致的水化学孤子”Physia A. 204. 346-358 (1994)

野村厚志,三池秀敏.古賀和利: "不均一照明下における動画像からの運動ベクトル場の検出" 画像ラボ. 8. 59-62 (1994)

Atsushi Nomura、Hidetoshi Miike、Kazutoshi Koga：“非均匀照明下运动图像的运动矢量场检测”Image Lab。 8. 59-62 (1994)

野村厚志,三池秀敏,横山悦郎: "動画像からの運動・拡散現象の検出" 電気学会論文誌C. 115-C. 403-409 (1995)

Atsushi Nomura、Hidetoshi Miike、Etsuro Yokoyama：“从运动图像中检测运动和扩散现象”日本电气工程师学会会刊 C. 115-C. 115-409 (1995)