複雑流体の流れ制御を可能にする次世代レオロジー基盤技術の開発

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本研究では，流動食品や高分子溶液に代表される複雑流体の流れ予測を可能にする新たな理論体系の構築を目的とする．複雑流体の流動物性評価に高い適用性を持つ超音波スピニングレオメトリ（USR）を拡張開発し，様々な流れの条件下における流動物性評価を実現する．そこで得られる膨大な流動物性データを直に数値流体力学に活用し，対象流体と流路形状ともに汎用性の高い流れ予測スキームを確立する．これまでに開発したUSRは，試験流体を満たした円筒容器を正弦波状に振動回転させ，超音波流速分布計（UVP）によって内部の時空間流速分布を計測する．この流速情報から流体支配方程式と構成方程式を媒介して，実効粘度や粘弾性に代表されるレオロジー物性を評価する．従来のトルク式レオメータに比して，ゲルゾル共存物質や混相流体などの複雑流体に高い適用性を持つ一方で，単一周波数成分の振動剪断下での物性評価に限定されている．定常剪断や他周波数成分を含む非定常剪断下での物性評価を行うために，USRの拡張を行った．従来の外円筒駆動の装置を改修して，軸トルク計測が可能な内円筒を取り付けた．UVP計測とトルク計測を同期することで，二重円筒間の各半径位置における歪み速度と剪断応力の対応関係を評価できる．ニュートン流体であるシリコンオイルを用いて計測結果の妥当性を検証し，擬塑性流体であるカルボキシメチルセルロース水溶液，粘弾性流体であるポリアクリルアミド水溶液，複雑流体の一例としておかゆの計測を行った．流れ予測の基礎段階として，定常剪断下で得られた応力と歪み速度の関係を用いて，一定圧力勾配で駆動される円管内の流れ予測を高精度で予測できることを示した．研究成果は国際誌Industrial & Engineering Chemistry Researchにて論文を発表した．