砂山を用いた粉体の流動化メカニズム理解への相転移的アプローチ

本研究では３年間にわたり、振動が駆動する粉体流ダイナミクスを記述する理論モデルの構築に取り組んだ。昨年度までに主に次の２つの成果を上げた。（１）砂山（傾斜した粉体層）を振動により流動化させる室内実験を行い、粉体流の深さ平均輸送速度を記述するモデルを構築した。（２）離散要素法を用いた数値計算で室内実験を再現し、粉体流の内部速度構造まで記述できるようモデルを改良した。今年度はモデルの理解を更に深める次の２つの成果を上げた。第一に、類似した先行研究との整合性を確認することで、モデルの普遍性を支持する結果を得た。先行研究では、振動下でも砂山の傾斜角が変化しない定常状態において、粉体流の性質が実験的に調べられていた。その結果と、本研究のモデルから理論的に予想される粉体流の性質が整合的であることを示した。第二に、モデルを別の手法により導出することを試みた。従来はランダムウォーク過程にもとづく確率論的な議論からモデルを導出していたが、運動エネルギー保存則から同様のモデルの導出が可能であることを示した。これにより、従来の確率論的な議論では説明できなかったモデルの不定性に一部制約を与えることができた。なお、当初は数値計算のデータ解析を更に進める予定であったが、上記の理論的考察に予想以上の進展が見えたので、そちらを優先した。最後に、国際ワークショップ「Discussion meeting on Granular dynamics & Planetary terrain」を開催して、粉体物理と惑星科学の分野横断的な議論も行った。そして、３年間で得られた結果をもとに博士論文「Relaxation dynamics of granular-heap structure under vertical vibration」を完成させた。

本研究では３年間にわたり、振動が駆動する粉体流ダイナミクスを記述する理論モデルの構築に取り組んだ。昨年度までに主に次の２つの成果を上げた。（１）砂山（傾斜した粉体層）を振動により流動化させる室内実験を行い、粉体流の深さ平均輸送速度を記述するモデルを構築した。（２）離散要素法を用いた数値計算で室内実験を再現し、粉体流の内部速度構造まで記述できるようモデルを改良した。今年度はモデルの理解を更に深める次の２つの成果を上げた。第一に、類似した先行研究との整合性を確認することで、モデルの普遍性を支持する結果を得た。先行研究では、振動下でも砂山の傾斜角が変化しない定常状態において、粉体流の性質が実験的に調べられていた。その結果と、本研究のモデルから理論的に予想される粉体流の性質が整合的であることを示した。第二に、モデルを別の手法により導出することを試みた。従来はランダムウォーク過程にもとづく確率論的な議論からモデルを導出していたが、運動エネルギー保存則から同様のモデルの導出が可能であることを示した。これにより、従来の確率論的な議論では説明できなかったモデルの不定性に一部制約を与えることができた。なお、当初は数値計算のデータ解析を更に進める予定であったが、上記の理論的考察に予想以上の進展が見えたので、そちらを優先した。最後に、国際ワークショップ「Discussion meeting on Granular dynamics & Planetary terrain」を開催して、粉体物理と惑星科学の分野横断的な議論も行った。そして、３年間で得られた結果をもとに博士論文「Relaxation dynamics of granular-heap structure under vertical vibration」を完成させた。