Elucidating mechanism of energy concentration using liquid-gas phase change and its practical application in the medical and dental engineering

利用液-气相变阐明能量集中机制及其在医学和牙科工程中的实际应用

• 批准号: 22KK0050
• 负责人: 祖山 均
• 金额: $ 12.9万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Fund for the Promotion of Joint International Research (Fostering Joint International Research (B))
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-10-07 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KK0050/
• 关键词: キャビテーション; サブクール沸騰; 縦渦状気泡; パルスレーザ; ３Dプリント材

1. 本研究では，液相⇒気相⇒液相の気液相変化現象において，気泡の圧潰時に生じる衝撃力が，従来研究されてきた「球状気泡」よりも「縦渦状気泡」のほうが強力であることを実験的に発見した事実に基づき，縦渦状気泡の圧潰に着目して研究を遂行している。European-XFELにおいてMHzオーダで気泡の圧潰現象を時間・空間的に解明するために，研究代表者がEuropean-XFELに直接出向いて可視化実験の予備試験を行い，東北大学において可視化用観察部を開発した。2. 本研究では，気泡圧潰時の衝撃力を機械的表面改質に活用して生体インプラント用金属製３Ｄプリント材の疲労特性向上を目指している。そのために，東北大学において縦渦状気泡の圧潰衝撃力を用いて金属製３Ｄプリント材の機械的表面改質を行い，研究代表者が当該試験片をオックスフォード大学に持参して，機械的表面改質層の評価を行った。3. 機械的表面改質による疲労強度向上の要因の一つに圧縮残留応力の導入があり，残留応力を正確に評価する必要がある。そこで，カリフォルニア大学デービス校と協力して機械的表面改質層の残留応力の評価法を構築するために，穿孔法とX線回折を用いたsin2ψ法，cosα法，2D法を比較検討し，2D法により局所的残留応力を評価できることを実証した。4. 金属製３Ｄプリント材の疲労強度がバルク材の半分程度である一因は，未溶融の粒子による表面粗さが著しく大きいことである。本研究では，研究代表者とワシントン大学のSanders教授が開発したCASF(Cavitation Abrasive Surface Finishing)を踏まえ，東北大学において新たな砥粒を用いた表面改質法を開発し，疲労強度向上を実証した。5. 流体／材料連成解析により，気泡形状により圧潰衝撃力が大きく異なることを明らかにした。

1。在这项研究中，我们进行了研究，重点是垂直涡流气泡的崩溃，基于我们实验性地发现，在液相在液相粉碎气泡到气体液相变化现象时产生的影响力，这比先前已经研究过的“球形气泡”更强大。为了阐明欧洲-XFEL在时空中MHz顺序的气泡现象的崩溃现象，主要研究人员直接前往欧洲XFEL进行了可视化实验的初步测试，并在Toohoku University开发了一个可视化观察系。 2。在这项研究中，气泡压碎过程中的影响力用于机械表面修饰，以改善用于生物植入物的金属3D印刷材料的疲劳性能。为此，使用Tohoku University的垂直螺旋气泡的压碎力对金属3D印刷材料进行了机械修饰，研究人员将样品带到了牛津大学，以评估机械表面修饰的层。 3。通过机械表面修饰改善疲劳强度的因素之一是引入压缩残留应力，有必要准确评估残留应力。因此，使用穿孔和X射线衍射与加州大学戴维斯分校合作，我们比较并检查了SIN2ψ方法，COSα方法和2D方法，并证明可以使用2D方法评估局部残留应力。 4。金属3D印刷材料具有大约一半材料的疲劳强度的原因之一是，由未渗出的颗粒引起的表面粗糙度明显更大。在这项研究中，基于由华盛顿大学的首席研究员和桑德斯教授开发的CASF（空化磨料表面饰面），Tohoku University使用磨料颗粒开发了一种表面修饰方法，证明了疲劳强度的改善。 5。流体/材料耦合分析表明，碎屑冲击力取决于气泡形状。

项目成果

Iowa State University(米国)

爱荷华州立大学（美国）

Relationship between a non-spherical collapse of a bubble and a stress state inside a wall

• DOI: 10.1063/5.0136355
• 发表时间: 2023-02-01
• 期刊: PHYSICS OF FLUIDS
• 影响因子: 4.6
• 作者: Iga, Yuka;Sasaki, Hirotoshi
• 通讯作者: Sasaki, Hirotoshi

Laser Cavitation Peening: A Review

激光空化喷丸：回顾

• DOI: 10.20944/preprints202304.1006.v1
• 发表时间: 2023
• 期刊: Preprints (www.preprints.org)
• 作者: Soyama Hitoshi;Iga Yuka
• 通讯作者: Iga Yuka

微粒子衝突処理法によるステンレス鋼SUS316Lの疲労強度向上

颗粒碰撞处理法提高不锈钢SUS316L的疲劳强度

• 发表时间: 2023
• 作者: 久慈 千栄子;祖山 均
• 通讯作者: 祖山 均

Fluid/Material Coupled Numerical Simulation of a Bubble Collapse near a Wall for Laser Cavitation Peening

激光空化喷丸近壁气泡破裂的流体/材料耦合数值模拟

• 发表时间: 2023
• 作者: Iga Yuka;Kuji Chieko;Hirotoshi Sasaki;Soyama Hitoshi
• 通讯作者: Soyama Hitoshi