複雑媒体中の衝撃波現象の解明と学際応用

复杂介质中冲击波现象的阐明和跨学科应用

• 批准号: 12CE2003
• 负责人: 井小萩 利明
• 金额: $ 962.88万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for COE Research
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-12CE2003/
• 关键词: 衝撃波; 複雑媒体; 衝撃波医療応用; 衝撃波地球科学への応用; ホログラフィー干渉計; 数値流体力学; 衝撃波産業応用; 短時間計測; 衝撃波地球科学応用; 分光計測

特別推進研究「複雑媒体中の衝撃波現象の解明とその学際応用」では、(1)複雑組成の媒体中の衝撃波現象、(2)化学変化、相変化を伴う媒体中の衝撃波現象、(3)複雑境界を過ぎる衝撃波、また、極低温および高温境界を過ぎる衝撃波、および(4)きわめて大きな時間変動を伴う衝撃波現象を解明し、その成果を医療、地球物理など学際領域研究に発展させ、また、産業応用への展開の基盤技術の確立を目指した。また、この本研究拠点が国内外に衝撃波学際応用研究センターとなることを目標に研究を推進した。ここに、過去および最近5年間の衝撃波研究の成果が体系化され、本拠点活動が国内の衝撃波研究会活動を支援するばかりでなく、平成17年3月に国際衝撃波学会(International Shock Wave Institute)の設立に結びついたこと述べ、特別推進研究「衝撃波」を総括する。主な研究成果は:i)基礎的研究くさびを過ぎる衝撃波反射に粘性効果に起因する遷移遅れを実験と精緻な数値模擬結果との対比から、始めて実証した。この現象が凹面および凸面さらに円錐面にも現れることを明らかにし、流体力学の教科書を書き直すに足る事実を見いだしている。また、大型縦型衝撃波管内に加速度計を内蔵した球を吊し衝撃波を負荷するという巧妙な実験で、衝撃波負荷での球の非定常抗力を実測し、衝撃波ないし爆風負荷での各種形状物体の非定常抗力計測に始めて成功している。この結果は数値模擬法との組み合わせで、粉塵気体中の衝撃波伝播に非定常抗力の効果明らかにしている。縦型無隔膜衝撃波管、大型無隔膜衝撃波管などを設計法を開発して、衝撃波の実験研究の精度を飛躍的に向上させ、また、衝撃波研究に微小爆薬の爆発を導入するなど、独創的な衝撃波実験法を発展させている。高性能の二段式軽ガス銃を設備し、弾道飛行実験装置の機能を加えて、高速飛行および高速衝突の動力学の体系化に成功している。直径1mのシュリーレン鏡を導入して大視野で、高レイノルズ数流れの二重露光ホログラフィー干渉計測定法を確立し、さらに、これを位相変位ホログラフィー干渉計法を展開し、音波に近い非常に弱い衝撃波の計測に成功している。気体、液体、混相媒体中の衝撃波現象の解明に適した数値模擬法を開発している。ii)水中衝撃波現象の解明とその医療応用 医学部の共同者と衝撃波の医療応用を推進し、衝撃波医療システムが構築されようとしている。水中でパルスレーザー光照射でのマイクロ衝撃波発生の物理を解明し、成果を種々の医療装置開発に結びつけることに成功している。カテーテル内でのレーザー光照射で気泡と衝撃波を発生し、カテーテル先端から直径0.1mm、速度20m/s程度の水ジェットを制御して噴出させ、これを空気中で用いて生体軟組織の切開装置を試作し、また、これを血管内で用いて低侵襲的な脳血栓血行再建術装置を試作している。これら装置での基礎実験、動物実験を終了させて現在臨床実験を開始しようとしている。また、衝撃波と細胞の相互作用を組織学的にまた生化学的に解明するための、医学と工学の連携研究が進行中である。パルスレーザー光を金属膜に作用させ発生するレーザーアブレージョンでの金属膜の高速変形を用いて微粒子を高速で打ち出す過程を詳細に解明して独創性の高いドラッグデリベリー法を開発している。この原理は微粒子分布と貫通深さを制御した物理的遺伝子導入法の開発に拡張され、現在、実用研究が進行中である。iii)地球物理、火山学への応用地球物理学者との連携で研究を推進し、地球進化史に巨大隕石衝突が重要な役割を果たし、そのとき固体および水中衝撃波が激変の素過程となっていることを、アナログ実験と数値模擬により様々の角度から実証している。また、火山の爆発的な噴火では短時間のエネルギー解放が重要な素過程となり、同様に衝撃波の関与が重要となっていることを実証している。特に、マグマの微粒化の動力学的機序をアナログ実験で解明した。iv)産業応用爆発騒音、自動車排気騒音およびトンネルソニックブームの機序を解明し、防止あるいは低減法を提案している。また、レーザー光を用いる新しい海底岩盤掘削法開発の基礎を確立した。v)学会活動5年間の拠点形成過程を通じて日本衝撃波研究会事務局を、また、Shock Wave International Journalの編集長と編集事務を担当し、さらに、拠点活動の一環として平成13年アジア太平洋衝撃波研究会を発足させ、これを平成17年3月国際衝撃波学会(International Shock Wave Institute)の設置に発展させている。

Special propulsion research "complex 雑 の blunt shock wave in the media phenomenon の interpret と そ の learn international 応 with" で は, (1) the complex 雑 の の blunt shock wave in the media phenomenon, (2) chemical variations, phase - を with う の blunt shock wave phenomenon in the media, (3) after 雑 realm を ぎ, ま る blunt shock wave た, extremely low temperature お よ び high temperature state ever を ぎ る blunt shock wave, お よ び (4) き わ め て Big き な time - move を with う blunt shock wave phenomenon を interpret し, そ の results を medical, geophysical な ど learn international research に 発 exhibition さ せ, ま た, industry 応 へ の expand の を の established base plate technology refers し た. ま た, こ の が 拠 point this research at home and abroad to learn international 応 に blunt shock wave with research セ ン タ ー と な る こ と を goal に research を propulsion し た. こ こ に, past お よ び の の blunt Shock Wave research results in recent 5 years systematic が さ れ, this 拠 が domestic の blunt Shock Wave research activities を support す る ば か り で な く, pp.47-53 March 17 に International society for blunt Shock Wave (International Shock Wave The Institute has established the に section び び する た た と と stating that べ and particularly promoting the research on "impulse waves" を総 including する. Main な research は : I) basic research く さ び を too ぎ る blunt shock wave reflection に viscous unseen fruit に cause す る migration 遅 れ を be 験 と delicate な the numerical simulation results と の polices than か ら, beginning め て card be し た. こ の phenomenon が concave お よ び convex さ ら に has drifted back towards &yen; cone に も now れ る こ と を Ming ら か に し, fluid mechanics textbook の を book き straight す business る に be を see い だ し て い る. ま た type, large 縦 に blunt shock wave tube within the accelerometer を 蔵 し た を ball hanging を し blunt shock wave load す る と い う clever な be 験 で, strong shock wave load で の ball の unsteady force majeure を be し, strong shock wave measurement な い し blasting wind load で の の unsteady resistance measuring various shape object beginning に め て successful し て い る. は こ の results the numerical simulation method と の group み close わ せ で, dust 気 伝 の blunt shock wave in sowing に unsteady force majeure の unseen GuoMing ら か に し て い る. 縦 type without diaphragm blunt shock wave tube, large diaphragm blunt shock wave tube な ど を design method を open 発 し て, strong shock wave の be 験 research の precision に を jump up さ せ, ま た, strong shock wave research に tiny explosive 薬 の detonation 発 を import す る な ど, original な shock wave be 験 method を 発 exhibition さ せ て い る. High-performance の 2-phase 軽 ガ ス spear を equipment し, 弾 flight be 験 device の function を plus え て, high-speed flight お よ び high-speed conflict の systematic dynamics の に successful し て い る. Diameter of 1 m の シ ュ リ ー レ ン mirror を import し て で view, high レ イ ノ ル ズ number flow れ の double exposure ホ ロ グ ラ フ ィ ー dry involved meter measurement を establishing し, さ ら に, こ れ を phase - a ホ ロ グ ラ フ ィ ー を launched し dry involved meter method, sonic に の nearly very weak に い い blunt shock wave measuring に successful し て い る. The <s:1> impulse wave phenomenon in gas, liquid and mixed-phase media is explained by に suitable <s:1> numerical simulation method を to develop て る る る. Ii) water blunt shock wave phenomenon の interpret と そ の medical 応 with medicine の is の medical 応 と blunt shock wave together with を propulsion し, strong shock wave medical シ ス テ ム が build さ れ よ う と し て い る. Water で パ ル ス レ ー ザ ー light で の マ イ ク ロ blunt shock wave 発 raw の physical を interpret し, achievement を 々 の medical devices open 発 に knot び つ け る こ と に successful し て い る. Within カ テ ー テ ル で の レ ー ザ ー light で 気 bubble と blunt shock wave を 発 し, カ テ ー テ ル apex か ら 0.1 mm in diameter, degree of speed of 20 m/s の water ジ ェ ッ ト を suppression し て overflowing さ せ, こ れ を で in empty 気 い て living body tissue の cut device を try し, ま た, こ れ を intravascular で with い て low hit な 脳 thrombosis blood lines to build The device を attempts to make て て る る. The <s:1> れら device で <s:1> basic experiments, animal experiments を have ended させて now clinical experiments を have begun ようと ようと て る る る る る る る る る ま た の と cells, strong shock wave interaction を histological に ま た biochemical に interpret す る た め の, medical research が と engineering の even with で あ る. パ ル ス レ ー ザ ー を light metal film role に さ せ 発 raw す る レ ー ザ ー ア ブ レ ー ジ ョ ン で の metal film の high-speed - shaped を with い て particles を high-speed で play ち を に explain in detail the す process し て originality の high い ド ラ ッ グ デ リ ベ リ ー method を open 発 し て い る. こ の principle は と particles distribution through deep さ を suppression し た physical heritage 伝 son import method の open 発 に company, zhang さ れ, now, be in research が で あ る. Iii) of geophysics and volcanology へ の 応 with geophysicist と の を で research advance し link-up, earth evolution に huge meteorite conflict が important な "を cut fruit た し, そ の と き solid お よ び が water blunt shock wave excitation - の element process と な っ て い る こ と を, ア ナ ロ グ be 験 と the numerical simulated に よ り others 々 の Angle か ら card be し て い る. ま た, volcanic explosion の 発 な fire で は short の エ ネ ル ギ ー liberation が な element process と な り, with others in に blunt shock wave の masato and important と が な っ て い る こ と を card be し て い る. The sequence of に, グ グ, and グ of the dynamics of <s:1> miniaturization <e:1> is solved by をアナログ experiments and で to explain た. Iv) industry 応 with explosive 発 騒 sound, automotive vehicle platoon 気 騒 sound お よ び ト ン ネ ル ソ ニ ッ ク ブ ー ム の machine sequence を interpret し, prevent あ る い は low subtraction を proposal し て い る. Youdaoplaceholder0, レ ザ ザ ザ を light を developed the foundation of the を by using the new <s:1> <s:1> seabed rock disk excavation method of <s:1> る, and established the た. v) During the five years of the society 's activities, 拠 point formation process を through じて Japan Shock Wave Research Association Affairs bureau を, また, Shock Wave International Compiling the transaction Journal compilation の long と を bear し, さ ら に, 拠 activities の と し て pp.47-53 13 years ア ジ ア Pacific blunt Shock Wave research を 発 foot さ せ, こ れ を pp.47-53 March 17 years of International society for blunt Shock Wave (International Shock Wave (Institute) に sets up に exhibitions させて させて る る.

项目成果

Jagadeesh G, Nagashetty K, Reddy KPJ, Sun M, Takayama K: "Studies on the effects of test gas on the flow field around large angle blunt cone flying at hypersonic Mach number"Trans. Japan Soc. Aero. Space Sci.. 45,149. 189-194 (2002)

Jagadeesh G、Nagashetty K、Reddy KPJ、Sun M、Takayama K：“试验气体对高超声速马赫数飞行大角度钝锥周围流场的影响研究”Trans。

I.Sokolov, E.Timofeev, J.Sakai, K.Takayama: "Artificial Wind -a new framework to construct simple and efficient upwind shock-capturing schemes"Journal of Computational Physics. 181. 354-393 (2002)

I.Sokolov、E.Timofeev、J.Sakai、K.Takayama：“人工风——构建简单高效的逆风冲击捕捉方案的新框架”计算物理学杂志。

T.Hirano, A.Nakagawa, H.Uenohara, H.Ohyama, H.Jokura, K.Takayama, R.Shirane: "Pulsed liquid jet dissector using holmium : YAG laser-a novel neurosurgical divice for brain incision without impairing vessels"Acta Neurochir. 145. 401-406 (2003)

T.Hirano、A.Nakakawa、H.Uenohara、H.Ohyama、H.Jokura、K.Takayama、R.Shirane：“使用钬的脉冲液体喷射解剖器：YAG 激光——一种新型神经外科设备，用于在不损害血管的情况下进行脑切开”

D.Igra, K.Takayama: "Experimental investigation of two cylindrical water columns subjected to planar shock wave loading"Journal of Fluids Engineering. 125. 325-331 (2003)

D.Igra、K.Takayama：“平面冲击波载荷作用下两个圆柱形水柱的实验研究”流体工程学杂志。

On the efficiency of Gore-Tex layer for brain protection from shock wave damage in cranioplasty

探讨 Gore-Tex 层在颅骨成形术中保护大脑免受冲击波损伤的功效

• 发表时间: 2004
• 期刊: American Institute of Physics 75・11
• 作者: T.Saito;PA Voinovich;A.Nakagawa;SHR.Hosseini;K.Takayama;T.Hirano
• 通讯作者: T.Hirano