空間的に精緻な流動・物性分布計測が解き明かす粘弾性流体の不安定流動遷移の起源

通过空间精确的流动和物理性质分布测量揭示粘弹性流体不稳定流动转变的起源

基本信息

批准号：
22K14183
负责人：
市川賀康
金额：
$ 3万
依托单位：
Tokyo University of Science
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

粘弾性流体に対して断続的なせん断速度が働くように，連続した急拡大・急縮小構造を有するマイクロ流路内部の流動について調査を行っている．当該年度は，高分子であるポリアクリルアミド(HPAM)水溶液を用いて，マイクロ流路内における流動の様子を，PIVおよびPTVを駆使して調査した．まず，高分子の干渉が無視できない準希薄状態の溶液を用いて実験を行った．そして，shear bandingと呼ばれる，異なるせん断速度の層が形成される不安定現象が構造間で生じることを確認した．特に，構造間内部の低速流動域において，回転およびせん断の両方の挙動を示す複雑な流動が形成されることを明らかにした．続いて，高分子同士の干渉が無視できる希薄状態の溶液を用いて，同様に構造間の流動を調査した．その結果，構造間には応力緩和のために低速域が形成され，低速域内部の流動は，流量の増大に伴い急激な速度変動を有する流動状態へと遷移することを確認した．この状態における低速域の流動は非定常的ではなく，周期的な振動挙動を示した．そのため，特定の流路構造および実験条件においては，粘弾性流体であるHPAMの溶液は流量の増大に伴って定常状態から非定常状態へと一気に遷移するのではなく，周期的な状態を経て非定常状態へと遷移することが示唆された．また，粘弾性流体の粘度分布イメージングを実現すべく，溶液の粘度に反応して蛍光輝度が変化する蛍光分子ローターを使用した計測法の確立にも取り組んだ．そして，急拡大・急縮小構造を有するマイクロ流路中で局所的に変化する粘度分布の可視化にも成功した．

我们正在研究具有连续，快速膨胀和还原结构的微流体通道内部的流动，以便将间歇性剪切速度应用于粘弹性流体。在今年中，我们使用PIV和PTV使用水性聚合物聚丙烯酰胺（HPAM）研究了微通道的流量。首先，我们使用在半稀释状态下的溶液进行了一个实验，在该状态下，聚合物干扰不能忽略。然后，我们确认，在结构之间发生了不稳定的现象，称为剪切带，其中形成了不同的剪切速率的层。特别是，揭示了复杂的流程形成，显示了结构内部低速流动区域的旋转和剪切行为。接下来，我们使用稀释状态下的溶液以类似的方式研究了结构之间的流动，其中可以忽略聚合物之间的干扰。结果，在结构之间形成了低速区域以减轻应力，并确认低速区域内部的流动向流量状态转变，并且随着流速的增加，速度突然波动。在该状态下的低速区域的流动并不是不稳定的，并且表现出周期性的振动行为。因此，有人建议，在特定的流道结构和实验条件下，HPAM溶液（粘弹性流体）不会随着流量增加而从稳态过渡到非稳态，而是从稳态到非稳态过渡到非稳态。此外，为了实现粘弹性流体的粘度分布成像，我们还致力于使用荧光分子转子建立测量方法，该方法响应于溶液的粘度而改变荧光亮度。此外，我们还成功地看到了在具有快速膨胀和还原结构的微通道中局部变化的粘度分布。