インテリジェントシールドの基礎原理に関する研究

近年、海底熱水鉱床などの採掘が現実味を帯び、採鉱に際して発生する鉱床の微細粉末の拡散が懸念される。本研究では、海底で採鉱された鉱物が海上へ揚鉱される間に微細粉末が海水中へ全く拡散しないようにシールドする場合に、可能な限り小さなシールドでその効果を得るため、そのシールド端で発生する剥離流れを利用して、シールド効果を高めることを目的に理論的アプローチと実験的アプローチにより研究を実施した。まず、昨年度に実施した数理解析による分離面制御可能性の調査を継続した。昨年度の解析で、翼端渦強さの分布と渦面形状の関係を検討することが可能になったので、今年度は、昨年度に検討した随伴渦列の解析理論を拡張し、渦強さを半球端部の周方向に変化させた場合の解析理論を検討した。これは、半球の周方向の渦強さ分布をフーリエ成分分離することにより、容易に行えると考えられたが、解析的な手法では極単純な場合しか解が得られず、逆問題(分離面の形状から渦強さ分布を求める)の求解は困難なことが判明した。また、昨年度実施した小型模型による可視化実験についても、今年度も継続して実験を行った。昨年度の実験では翼端渦の効果を明確に把握することができなかったので、今年度は半径0.3m程度の半円盤形小型模型を作成し、東京大学大学院新領域創成科学研究科所有の回流水槽において可視化実験を行った。この実験では分離面の挙動と持続性を調べるため、半球端部に取り付ける小翼の大きさをいくつか変更し、それによって流れがどのように変化するのかを観察した。その結果、翼端部の違いにより、後流渦の違いについては観測できたが、シールド効果を発揮する翼端形状を求めるところまでは達成できなかった。今後は、翼端渦の詳細な流れ場を検討する必要があると考えられる。

近年、海底熱水鉱床などの採掘が現実味を帯び、採鉱に際して発生する鉱床の微細粉末の拡散が懸念される。本研究では、海底で採鉱された鉱物が海上へ揚鉱される間に微細粉末が海水中へ全く拡散しないようにシールドする場合に、可能な限り小さなシールドでその効果を得るため、そのシールド端で発生する剥離流れを利用して、シールド効果を高めることを目的に理論的アプローチと実験的アプローチにより研究を実施した。まず、昨年度に実施した数理解析による分離面制御可能性の調査を継続した。昨年度の解析で、翼端渦強さの分布と渦面形状の関係を検討することが可能になったので、今年度は、昨年度に検討した随伴渦列の解析理論を拡張し、渦強さを半球端部の周方向に変化させた場合の解析理論を検討した。これは、半球の周方向の渦強さ分布をフーリエ成分分離することにより、容易に行えると考えられたが、解析的な手法では極単純な場合しか解が得られず、逆問題(分離面の形状から渦強さ分布を求める)の求解は困難なことが判明した。また、昨年度実施した小型模型による可視化実験についても、今年度も継続して実験を行った。昨年度の実験では翼端渦の効果を明確に把握することができなかったので、今年度は半径0.3m程度の半円盤形小型模型を作成し、東京大学大学院新領域創成科学研究科所有の回流水槽において可視化実験を行った。この実験では分離面の挙動と持続性を調べるため、半球端部に取り付ける小翼の大きさをいくつか変更し、それによって流れがどのように変化するのかを観察した。その結果、翼端部の違いにより、後流渦の違いについては観測できたが、シールド効果を発揮する翼端形状を求めるところまでは達成できなかった。今後は、翼端渦の詳細な流れ場を検討する必要があると考えられる。