非定常・非一様ひずみ速度場における複雑流体のレオロジー・内部構造計測法の開発

开发非稳态和非均匀应变率场中复杂流体的流变和内部结构测量方法

基本信息

批准号：
22K18766
负责人：
亀田正治
金额：
$ 4.16万
依托单位：
Tokyo University of Agriculture and Technology
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Challenging Research (Exploratory)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-06-30 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K18766/
关键词：
流体工学光工学・光量子科学非ニュートン流光計測

项目摘要

複雑流体（complex fluids）のレオロジーは，ニュートン流体（粘度がひずみ速度に依存しない）とは異なり，流体の変形や時間発展による物質の内部状態変化の影響を受ける．流体内部の応力，ひずみ速度（ひずみ）分布と，物質の微視的構造や化学的性質を同時に把握する方法が必要である．そこで，ラボスケールかつ非定常計測への拡張が可能な，応力，ひずみ速度（ひずみ），物質の微視的構造・分子の状態を同時に把握する新しい方法論として，「光干渉断層撮影法（OCT）」による流動，構造計測と「ラマン分光法」による物質分子計測を複合した高時間分解レオロジー計測システムの構築を進めた．本年度は，三つのサブテーマに分けて研究を行った．第１に，OCT/ラマン複合計測システムの構築を進めた．赤外スーパールミネッセントダイオード（SLD）を光源とするドップラーシフトOCT流速計の組み立てに必要な部品を収集した．ラマン分光による物質分子計測の予備調査を行った．第２に，非ニュートン流体の管内流れの計測に向けて，比較検証用の高速度複屈折カメラによる応力場非定常計測システムのセットアップを行った．また，試験物質として，複屈折流体（セルロースナノクリスタルにヨウ化ナトリウムを加えた水溶液）を選定し，基本的なレオロジー特性試験を実施した．第３に，伸長流に対する時間分解計測に向けて，比較検証用の非線形有限要素法（FEM）数値シミュレーションを実施した．マルチフィジックスソルバー（COMSOL）での計算を前提に，さまざまなレオロジーモデルでの計算を可能にするよう，計算条件を整え，既往の実験（Arora et al. 2017）による応力・ひずみ測定結果との比較から，良好な計算結果が得られることを確認した．

与牛顿流体（粘度不依赖于应变率）不同，复杂流体的流变性受到流体变形和时间演化导致的材料内部状态变化的影响。需要一种方法来同时了解流体内部的应力和应变率（应变）分布，以及材料的微观结构和化学性质。因此，我们开发了光学相干断层扫描（OCT）作为一种新的方法，可以扩展到实验室规模和非稳态测量，并且可以同时掌握材料的应力、应变率以及微观结构和分子状态。时间分辨流变测量系统，结合使用“拉曼光谱”的流动和结构测量以及使用“拉曼光谱”的材料分子测量。今年，我们将研究分为三个子主题。首先，我们着手构建 OCT/拉曼组合测量系统。我们收集了组装使用红外超发光二极管 (SLD) 作为光源的多普勒频移 OCT 电流计所需的零件。我们对使用拉曼光谱测量材料分子进行了初步研究。其次，我们利用高速双折射相机建立了非稳态应力场测量系统进行比较和验证，以测量管道中非牛顿流体的流动。此外，选择双折射流体（纤维素纳米晶和碘化钠的水溶液）作为测试物质，进行基本流变性能测试。第三，我们进行了非线性有限元法（FEM）数值模拟进行比较验证，为细长流的时间分辨测量做好准备。在使用多物理场求解器（COMSOL）进行计算的前提下，设置了计算条件，以便能够使用各种流变模型进行计算，并与先前实验的应力和应变测量结果进行了比较（Arora et al. 2017）。从而能够得到良好的计算结果。