Numerical Analysis on Thermal Control of Thermo-Bioconvection and Transport Characteristics Generated by Chemotactic Bacteria

本研究では，酸素に反応する走化性バクテリアに着目し，対流と物質輸送の強化のために，懸濁液に非定常的な温度変動を与えたときの熱生物対流の周波数応答性や共鳴現象が，バクテリアと酸素の輸送特性に及ぼす影響を三次元数値解析により明らかにし，対流と物質輸送の制御方法を提案することを目的とする．容器に入った懸濁液中には酸素に反応し，熱に強い走化性バクテリアが存在している．水面から酸素が一様に供給されるため，バクテリアは酸素の豊富な水面方向へ移動する．空気を一様温度に保ち，下壁面を非定常的に加熱することにより，熱生物対流を発生させる．令和4年度では，熱生物対流の非定常特性と輸送特性を調査した．その結果，以下の知見が得られた．1. 壁面と水面の温度差は熱対流のレーリー数に相当する．定常加熱の場合，生物対流を加熱させると，懸濁液の不安定性が強まり，対流速度が増加する．レーリー数が増加すると，バクテリアのプルームが形成されず，熱対流に特有のサーマルプルームが形成される．レーリー数が増加すると，生物対流が支配的な場から熱対流が支配的な場に懸濁液が変化することが明らかとなった．このとき，対流による物質の輸送が促進され，領域全体にわたってバクテリアと酸素の輸送特性が向上する．2. 壁面の温度変動によって，非定常熱生物対流が発生する．低周波数では，温度変動に対して熱生物対流が追従し，熱対流と生物対流の干渉が強化されるため，領域全体のバクテリアと酸素の輸送特性が向上する．周波数が増加すると，温度変動に対する熱生物対流の追従性が悪化し，生物対流と熱対流の干渉が弱まるため，対流速度が遅くなり，バクテリアと酸素の輸送特性が低下する．

本研究では，酸素に反応する走化性バクテリアに着目し，対流と物質輸送の強化のために，懸濁液に非定常的な温度変動を与えたときの熱生物対流の周波数応答性や共鳴現象が，バクテリアと酸素の輸送特性に及ぼす影響を三次元数値解析により明らかにし，対流と物質輸送の制御方法を提案することを目的とする．容器に入った懸濁液中には酸素に反応し，熱に強い走化性バクテリアが存在している．水面から酸素が一様に供給されるため，バクテリアは酸素の豊富な水面方向へ移動する．空気を一様温度に保ち，下壁面を非定常的に加熱することにより，熱生物対流を発生させる．令和4年度では，熱生物対流の非定常特性と輸送特性を調査した．その結果，以下の知見が得られた．1. 壁面と水面の温度差は熱対流のレーリー数に相当する．定常加熱の場合，生物対流を加熱させると，懸濁液の不安定性が強まり，対流速度が増加する．レーリー数が増加すると，バクテリアのプルームが形成されず，熱対流に特有のサーマルプルームが形成される．レーリー数が増加すると，生物対流が支配的な場から熱対流が支配的な場に懸濁液が変化することが明らかとなった．このとき，対流による物質の輸送が促進され，領域全体にわたってバクテリアと酸素の輸送特性が向上する．2. 壁面の温度変動によって，非定常熱生物対流が発生する．低周波数では，温度変動に対して熱生物対流が追従し，熱対流と生物対流の干渉が強化されるため，領域全体のバクテリアと酸素の輸送特性が向上する．周波数が増加すると，温度変動に対する熱生物対流の追従性が悪化し，生物対流と熱対流の干渉が弱まるため，対流速度が遅くなり，バクテリアと酸素の輸送特性が低下する．