粘弾性体を含む流体と固体の圧縮性統一解法による爆風損傷機序の数値的解明

使用流体和固体（包括粘弹性体）的压缩性统一求解方法数值阐明爆炸损伤机制

• 批准号: 22H01730
• 负责人: 住 隆博
• 金额: $ 11.81万
• 依托单位: Saga University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22H01730/
• 关键词: 爆傷; ブラスト波; 粘弾性; 圧縮性; 数値解析

爆発による生体損傷のうち一次爆傷は、爆発によって空気中に生じた強力なブラスト波が生体内に伝播し、脳をはじめとする器官内の組織と干渉することで引き起こされる。本現象は一般にエネルギー密度の高い火薬等の点爆発で観察されるため、設備面や安全性から実験的研究に対する制約が極めて大きく、現象の学術的理解を阻む大きな要因となっている。そのため、数値的研究が有望な選択肢となるが、ブラスト波の照射対象となる生体組織は工学的な分類では粘弾性体であり、その学問領域は流体力学と固体力学の境界領域に位置するため、解析方法が十分に検討されていない。本研究課題では、流体力学で一般的なリーマン解法をベースに粘弾性構成則を導入して数値解法の理論的な拡張を行い、粘弾性体を含む流体および固体間の波動伝播が解析可能な統一解法を構築する。さらに、本数値解法を用いて、ブラスト波と生体組織の干渉を定量的かつ視覚的に評価し、一次爆傷の機序について工学的観点から考察を行う。研究計画の一年目となる本年度は、その中心となる数値解法について重点的に検討を行い、圧縮性混相流体計算で一般的な拡散界面モデルの線形粘弾性体への理論的拡張、ならびにそれを基にしたリーマン解法のテストコード（非定常空間1次元）の構築を行った。また、次年度以降の検証実験の準備として、ポリビニルアルコール・ハイドロゲルを主体とした模擬生体サンプルの作成と物性変化の小さい長期保存方法の検討、レーザー誘起による慣性マイクロキャビテーションレオメトリーの理論面の改良、ならびにそれを用いた高ひずみ速度領域での粘弾性物性評価を実施した。さらに、波動伝播可視化撮影用のハイスピードカメラの機種選定と導入を行い、検証実験系の整備を行った。

在爆炸造成的生物学损害中，原发性爆炸伤是由于爆炸引起的空气中产生的强爆炸波造成的，该爆炸引起了体内的爆炸，这会传播到体内并干扰器官内部的组织（例如大脑）。通常在高能量密度的火药等点爆炸中观察到这种现象，因此，由于设备和安全性，实验研究的限制非常大，这是阻碍对现象的学术理解的主要因素。因此，数值研究是一个有前途的选择，但是要用爆炸波照射的生物组织是工程分类中的粘弹性体，其学术领域位于流体力学和固体力学之间的边界区域，因此尚未对分析方法进行彻底研究。该研究主题将基于在流体力学中常见的Riemann溶液方法，将粘弹性本构定律引入数值溶液的理论扩展，并构建可以分析粘合粘弹性身体和固体的流体之间波传播的统一溶液。此外，使用这种数值解决方案，对爆炸波和生物组织之间的干扰进行了定量和视觉评估，并从工程的角度检查了原发性爆炸性伤口的机理。今年是研究项目的第一年，我们专注于关键的数值解决方案方法，并使用可压缩的混合相流体计算将一般扩散界面模型进行理论扩展到线性粘弹性物体，以及基于此方法的测试代码（Unsteady Space 1二维方法）的理论扩展。此外，在准备下一个财政年度的验证实验时，我们为主要由聚乙烯醇和水凝胶制成的模拟生物样品进行了准备，研究了几乎没有物理特性的长期储存方法，从而改善了使用激光诱导的惯性微浮标的理论方面，它使用惯性造成的微腔rhe仪和评估较高的质量质量均具有高度的质量。此外，我们选择并引入了高速摄像机来进行振动传播摄影，并开发了验证实验系统。