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機能創成セミナー Seminar on Mechanical Science and Bioengineering
第150回 | 2019年02月01日 15:00－17:00 基礎工学研究科 J棟1階セミナー室 |
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| 液体ロケット推進剤のキャビテーション現象に対するマルチスケールアプローチ | |
| キャビテーションは液体ロケットエンジンのターボポンプ内部で生じる気液二相流であり、 かつエンジン運転時にトラブルをもたらし得る一要因ともなっている。 また、液体ロケット推進剤（水素・酸素）のキャビテーションには、 そのマルチスケール性に起因した興味深い課題が残されている。 本講演では、これらの課題解決に向けて行ってきている分子論的解析や、 開発中のキャビテーションモデルを中心に紹介する。 | |
| 津田伸一 九州大学 大学院工学研究院 機械工学部門 准教授 |
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| 航空機構造のヘルスモニタリングと実験用航空機による飛行実証試験 | |
| JAXAでは航空機をはじめとした各種構造のひずみ分布計測システムを開発してきた。 このシステムは光ファイバを用いるものであるが、2016年から2017年にかけて 実験用ジェット航空機「飛翔」を用いて実飛行環境における計測実証試験を実施した。 本講演ではその結果を紹介するとともに、航空機構造ヘルスモニタリング技術の動向等と JAXAにおける研究開発を概説する。 | |
| 中村 俊哉 宇宙航空研究開発機構 構造・複合材技術研究ユニット ユニット長 |
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| 世話人：杉山和靖 / 参加者：未定 | |
第149回 | 2019年01月22日 13:30－14:30 基礎工学A棟1階 A145室 |
| 分子シミュレーションにおけるレア・イベント解析手法 | |
| 「レア・イベント」と言えば、天体運動、気象、地震などにおける稀有な現象を思い浮かべるかもしれない。しかし、物質世界においては、数少ないチャンスで原子・分子構造が劇的に変わる現象の総称として用いられる。化学反応をはじめとする結合の組み換えのほか、蛋白質のフォールディングやドッキング、構造相転移、結晶成長、材料の塑性変形や経年劣化など、多様な現象がこの範疇に入る。これらは、巨視的時間スケールでは「ほぼ確実に」起こるため、私たちにとっては普遍的にみられる日常現象である。しかし、そのもととなる分子の微視的運動が、それ自体は速いものの、確率的に稀にしか起きない、という意味でレア・イベントである。レア・イベントは、現代のスパコンを用いたとしても、古典分子動力学法で一般に扱われるマイクロ秒以内の運動の中ではほとんど見えない。たとえ運良く見えたとしても、それを何回も観測した上で統計をとらないと、それが本質を捉えたものかどうかは不明だし、再現性あるデータにはならない。電子論に立ち戻った第一原理分子動力学法を用いるとなると、なおさら困難である。こうして、レア・イベント解析には、素朴な分子動力学法には頼らない、独特の理論体系や計算手法が必要となるわけだが、そのような研究は発展途上の状態にある。 このセミナーでは、分子シミュレーションにおける様々なレア・イベント解析手法の現状と課題をまとめる。また、応用の一端として、筆者が最近取り組んでいる溶液反応の自由エネルギー解析[1-3]についても紹介したい。 | |
| 志賀 基之 日本原子力研究開発機構 システム計算科学センター・研究主幹 |
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| 世話人：君塚肇 / 参加者：未定 | |
第148回 | 2019年01月18日 10:30－12:00 基礎工学C棟4階 C棟共用セミナー室 |
| On the roll-cell structure of rotating plane Couette flow | |
| The problem of transition from laminar flow to turbulence in plane Couette flow subject to a span-wise system rotation is considered, where the fluid motion is governed by two non-dimensional parameters, R (shear-induced Reynolds number) and Ω (system rotation rate). This system has long been serving as a testing ground for comparison between experiments and theories for understanding mechanisms of transition in fluid dynamics, and it is believed that the basic laminar state first loses stability to stream-wise independent disturbances with increasing R and/or Ω, resulting in the onset of secondary flow with a stream-wise independent roll-cell structure, followed by successive supercritical bifurcations due to three-dimensional instabilities of the secondary flow. In the present paper, we re-examine this seemingly well-known instability property of the secondary flow, especially for small R, with a surprising result. We shall demonstrate that the solution branch for a three-dimensional tertiary flow with small stream-wise wave numbers resulting from the afore-mentioned (secondary) instability connects with the so-called Ribbon, which is composed of two tilted vortex flows, elongated in the stream-wise direction with the same but opposite tilted angles. Ribbons bifurcate from the basic laminar state as well as in the case of the stream-wise independent two-dimensional flows, and, moreover, in the limit of small stream-wise wavenumbers, the bifurcation point of the Ribbons coincides with that of the stream-wise independent flows. Thus, the stream-wise independent secondary flow becomes unstable to disturbances with small stream-wise wavenumbers as soon as it bifurcates from the basic state, so that there exists no stable stream-wise independent roll-cell structures. In summary, we conclude that the roll-cells, which are observed in experiments as the secondary flow, might be actually three-dimensional tilted vortex flow with long stream-wise wave lengths. | |
| 永田 雅人 教授 Department of Mechanics, Tianjin University |
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| 世話人：河原 源太 / 参加者：未定 | |
第147回 | 2018年12月21日 14:40－15:40 基礎工学国際棟 セミナー室 |
| PIV/PTV－DNS融合非定常流シミュレーション：データ同化アルゴリズムの階層とその性能 | |
| 近年、PIV（Particle Image Velocimetry）とCFDを融合した流体解析の研究は、その応用分野を広げてきている。この分野の技術は、データ同化、制御系の流体観測、計測ノイズの除去、非定常圧力場の推定、欠損データの補完、低次元モデルの抽出、力学モデルの構築、これらの組み合わせを含め、様々な目的に応用されつつある。本発表者は共同研究者とともに、これまで、時間解像PIV/PTVと DNS（Direct Numerical Simulation）を融合した非定常流シミュレーションを開発してきた。水槽内のレーザーシート上の粒子速度をPIV/PTVで計測し、得られた速度場を連続の式を満たすよう補正した後、 DNSの時間ステップがPIVのフレームレートに対応する時間の整数倍になるよう調整して、非圧縮性の二次元Navier－Stokes方程式に埋め込む。すると、融合された計算上の速度場は、計測した速度場に計算時間とともに同化し、計測ノイズは大幅に減少し、DNSに匹敵する解像度の非定常速度場が得られる。同時に、非定常圧力場も算出され、得られた物理量一式は、基本的に流体の支配方程式を満たすため、このデータを使った高次微分を含む計算加工が容易になる。この手法はこれまでに、低レイノルズ数で非定常層流の高迎角の翼回り流れや、平板噴流で実証されてきた。本発表では、 PIV/PTV－DNS融合非定常流シミュレーションの階層を、低次元モデルから拡張カルマンフィルタを使った計算法まで紹介し、データ同化原理、計測ノイズの除去機能、非定常圧力推定・補完の性能について紹介する。 | |
| 鈴木崇夫 ボーイング |
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| 世話人：渡村友昭 / 参加者：未定 | |
第146回 | 2018年12月18日 18:00－19:00 基礎工学I棟2階 I棟共用セミナー室（I204） |
| Large Reynolds number instabilities of shear driven hydrodynamic/hydromagnetic flows) | |
| Consider a unidirectional flow varying in one direction. As widely acknowledged, the inviscid stability of the flow to wave-like perturbations is governed by the Rayleigh equation, which possesses a singularity when the wave is neutral. In this talk we shall show how to handle the inviscid stability problem when the flow varies in two spatial directions. The generalised inviscid stability problem has been introduced in Hall & Horseman (1991), Hall & Smith (1991) but not yet solved except for a special case, because the singularity now occurs on a curve. The latter authors formulated the problem as a part of nonlinear interaction between roll-streak flows and three-dimensional waves. In recent years the interaction attracts much attention as it possibly describes a backbone of self-sustained subcritical turbulence. Here their theory is further extended to magneto-hydrodynamic flows to drive self-sustained large Reynolds number dynamo states supported purely by a linear shear. | |
| 出口 健悟 School of Mathematical Sciences, Monash University |
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| 世話人：河原 源太 / 参加者：未定 | |
第145回 | 2018年12月11日 14:40－15:40 基礎工学研究棟 B201室 |
| Ultrasound-induced cavitation and streaming under dissolved gas supersaturation: Role of cavitation bubbles in ultrasonic cleaning | |
| The dynamics of acoustic cavitation bubbles play an essential role in "efficient" ultrasonic cleaning, but may cause damage to cleaning surface if the bubbles' collapse is violent enough to accompany shock emission and re-entrant liquid jet collision. Here, the use of dissolved gas supersaturated water is proposed for "damageless" low-intensity ultrasonic cleaning where mild bubble dynamics are expected to clean surfaces softly. In this talk, experimental observations of ultrasound-induced acoustic and hydrodynamic phenomena will be presented to show the importance of dissolved gas supersaturation for ultrasonic cleaning to be both efficient and damageless. | |
| 安藤景太 (Keita Ando) 慶應義塾大学 (Keio University) |
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| 世話人：杉山和靖 / 参加者：未定 | |
第144回 | 2018年12月03日 15:00－16:00 基礎工学D棟4階 D棟共用セミナー室 |
| 流体・磁場乱流に於ける逆カスケード乱流の統一理論モデル | |
| レーザー核融合や超新星爆発で不可欠な流体不安定による乱流が原因の物質混合。宇宙線加速を支配すると考えられているプラズマ乱流に伴う磁気乱流、宇宙の磁場の起源としての磁気流体不安定。これらは3次元流体乱流と異なりpower spectrumは逆カスケードとして発展し、構造形成などに繋がる。実験室、宇宙のプラズマで見られる普遍的な現象であり、台風などの構造形成、対流輸送、宇宙衝撃波、超新星爆発やガンマ線バーストの解明に不可欠な乱流現象と考えられている。 特に近年、流体系、無衝突衝プラズマ系、多体粒子系の多次元シミュレーションが多精力的に行われているが、背景の物理を支配する数理モデルは未解明である。講演では実験や観測、シミュレーションの現象論を説明し、その背景で共通する物理を直感的に掴み、その非線形物理を支配する数理モデルを提案する。数理モデルの解と実験等の結果を比較し、物質や磁場など多様な世界の乱流の非線形機構の統一的理解に迫る。 | |
| 高部英明教授 ドイツ・ヘルムホルツ研究機構・ドレスデン |
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| 世話人：河原 源太 / 参加者：未定 | |
第143回 | 2018年11月26日 14:40－16:10 基礎工学国際棟 セミナー室 |
| 振動によって駆動される粉体流ダイナミクスの解明と惑星科学現象への応用 | |
| 砂や小麦粉のような多数の巨視的な粒子の集合体として定義される粉体は自然界にあまねく存在する物質であり、状況に応じて「固まり」、「流れる」という二面性を持つ。この固体と流体の複合的な側面は、固まり静止している砂山を激しく揺らすと粒子が不安定化して崩れ出すことからも容易に想像できる。工学分野ではこの性質は古くから穀物などの輸送の効率化に応用されてきた。しかしながら、粉体基礎物理的な側面から振動によって駆動される粉体流ダイナミクスを定量的に記述できる理論モデルを確立しようという試みはほとんどなされてこなかった。近年では惑星科学分野でもその重要性が指摘されており[1]、粉体物理の中でも発展が急速に期待されている研究トピックの1つである。そこで、本研究では室内実験・数値計算・連続体モデリングという複数の視点からこの未解決問題に取り組んだ。実施した室内実験・数値計算は非常にシンプルであり、砂山に振動を加えたときに不安定化して流れる粉体粒子のフラックスを測定した。その結果を相互補完的に解析し、粉体流フラックスを定量的に砂山の角度と振動強度の関数として記述できる理論モデルを提唱した[2]。また、このモデルは振動エネルギーから輸送エネルギーへの変換効率を意味する係数をフィッティングパラメータとして使用しているが、様々な実験結果を比較することでこの係数は普遍的な値を取ることも明らかになった。最後に惑星科学分野への応用として、レゴリスと呼ばれる粉体層で表面が覆われた小天体に隕石が衝突した際、誘発された地震動で粉体層がどの程度流れて地形を変形させるのかを提唱したモデルを用いて見積もることができた。本セミナーではこれらの詳細について順を追って解説する。 | |
| 辻 大輔 名古屋大学 環境学研究科 |
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| 世話人：大槻 道夫 / 参加者：未定 | |
第142回 | 2018年11月19日 13:00－14:00 基礎工学B棟2階（B204） |
| Cells, Bacteria, Biofilaments: Invasion of Biological Matter into Capillaries | |
| Biological active materials such as bacterial biofilms and eukaryotic cells thrive in confined microspaces. Here, we numerically show that combining growth dynamics with their intrinsic activity cells can use confinement as a mechanical guidance to achieve distinct modes of collective invasion. We assess the dynamics of the growing interface and classify these collective modes of invasion based on the activity of the cells. While at small and moderate activities the active material grows as a coherent unit, we find blobs of active materials collectively detaching from the cohort above an activity threshold in a process reminiscent of the intravasation in cancer cells. We further characterise the mechanical mechanisms of transition between different modes of invasion. | |
| Felix Kempf Statistical and Biological Physics, Ludwig Maximilian University of Munich |
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| 世話人：松永大樹 / 参加者：未定 | |
第141回 | 2018年10月26日 10:30－11:30 基礎工学D棟4階 セミナー室（D404-08） |
| Department of Ophthalmology, University of Pittsburgh | |
| The eye is a remarkable complex organ. Although most people rarely think of the eye as a mechanical structure, forces and deformations play a central role in vision. Abnormal connective tissue architecture, and altered mechanical behavior of ocular tissues can compromise vision and lead to blindness. Unfortunately, for many eye conditions, the mechanisms underlying vision loss and the role of mechanics are still not completely understood, which complicates prevention and treatment. This is, in large part, due to the difficulty of assessing the structure and mechanics of ocular tissues. In the Laboratory of Ocular Biomechanics at the University of Pittsburgh, we work to develop tools to characterize the eye and its biomechanics. In this seminar I will highlight recent advances for the characterization of ocular connective tissue microarchitecture, and of the effects of intraocular and intracranial pressures. | |
| Ian A. Sigal, PhD Department of Ophthalmology, University of Pittsburgh |
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| 世話人：出口 真次 / 参加者：未定 |
