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機能創成セミナー Seminar on Mechanical Science and Bioengineering
第180回 | 2023年5月18日(木) 13:30-14:30 [May 18th 2023 (Thu) 13:30-14:30] 基礎工学研究棟 D404室 (D棟 共用セミナー室) |
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| Fundamental Principles of a Virtual Tokamak Reactor | |
| The ambitious timescale of the international fusion reactor development programme implies the increasing role on virtual engineering, creating a strong drive towards the exploration of digital twins and advanced computer models for materials, enabling the assessment of a variety of expected operating conditions. This presentation examines the fundamental principles and applications of self-consistent multiscale materials modelling for predicting the gradual evolution of deformations and stresses at the reactor component scale, resulting from the continuous exposure of a mechanically loaded reactor structure to neutron irradiation – a fundamentally atomic scale microscopic phenomenon. The topics addressed in the presentation include the eigenstrain method for evaluating macroscopic deformations from the density of microscopic defect volume tensors, which can now be derived from atomic level simulations, including density functional theory, as well as from mesoscopic models and dislocation level representations of microstructure. We shall also review dynamic atomic-scale simulation algorithms for treating non-linear high dose effects, the power law statistics of defects, and the recent dedicated experimental observations of complex evolving defect microstructures. | |
| Sergei L. Dudarev (Fellow, United Kingdom Atomic Energy Authority & Visiting Professor in Materials, University of Oxford) | |
| 世話人：尾方成信 | |
第179回 | 2023年5月15日(月) 13:00-15:00 [May 15th 2023 (Mon) 13:00-15:00] ハイブリッド ・対面：基礎工学研究科 国際棟 セミナー室 ・オンライン (zoom): zoomでの聴講をご希望の方は世話人・杉山（sugiyama.kazuyasu.es@osaka-u.ac.jp）まで①氏名 ②所属を添えて2023年5月14日（日）までにメールにてお申し込みください |
| 乱流境界層の空気潤滑作用とその応用 | |
| 壁面乱流境界層中に気泡を注入することで乱流構造が変調し，特定の条件下で摩擦抵抗低減が生じる．膜状気泡からマイクロバブルまで気相分布状態により多様な気液二相乱流境界層のパターンをもち，全体として７つの抵抗低減メカニズムが存在する．このうち流体力学的に未解明である要素の議論と，現時点で流体工学的に使うことが出来る気泡注入条件について紹介する． | |
| 村井祐一 (北海道大学 教授) | |
| 光導波路を用いた混相流計測技術 | |
| 光ファイバーをはじめとする光導波路は，情報社会の進展に伴い大きく発展してきた．光導波路は，コアとクラッドの微小な屈折率の違いにより，遠距離まで光を伝播させることができる．一方で，光導波路の先端では接する相の屈折率の差により反射率が異なり，一部の光はファイバー内に再び戻る．この戻り光を計測することで，気体や液体の相検出が可能となる．また，液体中に導波路から出射された光は，気液界面で反射し再び導波路内に入射する．この入射した光強度を計測することで，液膜の厚さが計測できる．この計測手法はロバストであり，混相噴流や液滴群によって形成された液膜などの測定が可能である．また，ファイバーから出射される光の分布を工夫することで，より薄い液膜の測定が可能となる．さらに，屈折率差を検出する手法のため，液体の圧力変化も計測できる．ファイバー先端の形状を工夫することで，微小な屈折率の変化を捉えることができる．このような光導波路を用いた混相流の計測技術について紹介する． | |
| 真田俊之 (静岡大学 教授) | |
| 世話人：杉山和靖 | |
第178回 | 2023年3月28日(火) 15:00-16:00 [Mar. 28th 2023 (Tue) 15:00-16:00] ハイブリッド ・対面：基礎工学研究棟 D404室 (D棟 共用セミナー室) ・オンライン (zoom): zoomでの聴講をご希望の方は世話人・杉山（sugiyama.kazuyasu.es@osaka-u.ac.jp）まで①氏名 ②所属を添えて2023年3月27日（月）までにメールにてお申し込みください |
| Deformation of bubbles in turbulence | |
| Mixing two immiscible fluids (gas-liquid or liquid-liquid) in turbulence produces polydispersed droplets or bubbles that can freely deform, break, and coalesce while interacting with the surrounding turbulence. These processes are fundamentally important and practically relevant to multiple fields, including chemical emulsion, food science, nuclear thermal hydraulics, two-phase heat transfer, and ocean and atmospheric science. In particular, deformation of bubbles is considered crucial to modulating effective lift and drag forces, reducing turbulent drag, and enhancing heat and mass transfer. In this presentation, I will discuss fundamental aspects of turbulent deformation, including experimental tests of key hypotheses and assumptions used in the classical Kolmogorov-Hinze framework and its limitations. | |
| Rui Ni (Associate Professor, Mechanical Engineering, The Johns Hopkins University) | |
| 世話人：杉山和靖 | |
第177回 | 2023年3月13日 10:30-11:30 [Mar. 13th 2023 (Mon) AM10:30-AM11:30] 国際棟セミナー室 [Place: Engineering Science International Bldg. Seminar room] |
| 統一体積平均方程式に基づく多相系乱流の数値シミュレーション | |
| 分散相（ここでは固体粒子群）による乱流変調の研究のために直接数値シミュレーションの適用するには、粒子径と格子幅の比の数桁にわたって、流体と粒子の相互作用を一貫して扱うことが可能な手法が必要です。本講演では、連続相と分散相に対する統一的な体積平均を施した方程式の導出と、それに基づくモデリングおよび計算手法に関するわれわれの試みを紹介します。 概要については日本機械学会流体工学部門ニュースレターの記事（https://www.jsme-fed.org/newsletters/index.html#23_2）も参照ください。 | |
| 梶島岳夫（四国職業能力開発大学校／大阪大学基礎工学研究科） | |
| 世話人：後藤晋 | |
第176回 | 2023年1月23日 10:30-12:00 [Jan. 23th 2023 (Mon) AM10:30-AM12:00] 国際棟セミナー室 [Place: Engineering Science International Bldg. Seminar room] |
| Multilayered Responsive Polymeric Nanofilms: Preparation, Characterization and New Applications | |
| Stimuli-responsive polymer films can undergo interesting structural and property changes upon external stimuli such as pH, temperature, humidity, enzyme, light, etc. Their applications have extended from smart coatings to controlled drug release, cell separation, optical display, self-repair and other fields. To this end, we have applied capillary flow layer-by-layer (LbL) assembly to create a library of responsive nanofilms using a broad range of materials through complementary interactions. Two new applications of multilayered responsive polymeric nanofilms will be discussed in this talk. 1) We have investigated the biocompatibility and degradation behaviors of a series of enzymatically-degradable films made from naturally derived polymers. By developing an LbL nanofilm coating with an affinity-based cell-capture surface that is capable of selectively isolating cancer cells from whole blood, and that can be rapidly degraded on command, we are able to gently isolate cancer cells and recover them without compromising cell viability or proliferative potential. Our approach has the capability to overcome practical hurdles and provide viable cancer cells for downstream analyses. 2) A photopatternable nanolayered polymeric film that can reversibly display and hide structural colors in the visible range in response to relative humidity (RH) changes will be presented. This film is fabricated on a silicon substrate using LbL assembly of chitosan and photoreactive carboxymethyl cellulose-azido derivative, and selectively crosslinked through UV irradiation from a photomask. It is demonstrated that the structural color patterns on the film can be hidden and displayed spontaneously by contact with humid air, including human breath. This film is low-cost, stable, and ready to be applied to large surface areas for potential applications in anticounterfeiting, humidity sensors, and optical color filters. | |
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Wei Li (Associate Professor in the Chemical Engineering department at Texas Tech University) Home page URL: https://www.depts.ttu.edu/che/research/li-lab/ |
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| 世話人：武石直樹 | |
第175回 | 2023年1月10日 10:30-12:00 [Jan. 10th 2023 (Tue) AM10:30-AM12:00] 国際棟セミナー室 [Place: Engineering Science International Bldg. Seminar room] |
| Turbulence in elastoviscoplastic fluids | |
| We investigate the turbulent flow characteristics of elastoviscoplastic fluids using high-resolution direct numerical simulations at high Reynolds number, focusing on the effect of plasticity. We find that by increasing the fluid plasticity, the energy content increases at large scales while decreasing at small scales resulting in the emergence of a new intermediate scaling range. Extended self-similarity analysis of structure functions reveals that intermittency grows with fluid plasticity. The increase in intermittency is caused by the intermittent behaviour that the non-Newtonian dissipation exhibits as the fluid becomes more plastic. | |
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Marco E Rosti (Assistant Professor, Complex Fluids and Flows Unit, Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST)) Home page URL: https://groups.oist.jp/cffu |
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| 世話人：武石直樹 | |
第174回 | 2022年11月24日 10:40-11:40（質疑応答含む） 基礎工学研究科A棟A442室 |
| Mechanisms of Biological Processes Driven by Cell-Matrix Interactions | |
| During various physiological processes, cells continuously interact mechanically with a surrounding extracellular matrix (ECM). Forces generated by the cytoskeleton are transmitted to a surrounding ECM, resulting in structural remodeling of the ECM. To better understand cell-ECM interactions, a myriad of in-vitro experiments and simulations have been performed during recent decades. However, physiological ECMs are viscoelastic, exhibiting stress relaxation or creep over time. It remains poorly understood how the time-dependent nature of ECMs affects mechanical interactions between cells and ECMs. Here, we employed a discrete model to investigate how forces generated by cells facilitate matrix remodeling, cell division, and cell invasion. We used explicit transient cross-linkers with varied density and unbinding kinetics to capture viscoelasticity unlike most of the previous models. Using this model, we quantified the time evolution of generation, propagation, and relaxation of stresses induced by a contracting cell in an ECM. We also showed how cancer cells invade into a dense ECM by permanently deforming via pushing forces generated from invadopodia. In addition, we demonstrated that dividing cells need both expansile forces from an elongating mitotic spindle and contractile forces from a cytokinetic ring to secure a sufficient space for successful cell division. We verified simulation results usingin-vitro experiments performed with cells encapsulated by hydrogels with tunable rheological properties or three-dimensional collagen matrices. Our studies provide key insights into understanding how physiologically relevant mechanical interactions between cells and a viscoelastic ECM lead to biological processes. | |
| Taeyoon Kim (Associate Professor, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University) | |
| 世話人：出口真次 | |
第173回 | 2022年2月4日 15:00-17:00 オンライン開催 Webexを使用します．聴講をご希望の方は杉山（kazuyasu.sugiyama@me.es.osaka-u.ac.jp）まで①氏名 ②所属を添えて2022年2月1日（火）までにメールにてお申し込みください．ミーティングリンクは，メールでお知らせします．/td> |
| 軽金属材料の圧縮特性に及ぼすひずみ速度と温度の影響 | |
| 金属材料が塑性変形するとき，与えられたエネルギーの一部が熱に変換される．準静 的試験では，発生した熱は試験機の冶具などに伝わり材料の温度変化は極めて小さい が，衝撃変形では熱伝導の十分な時間的余裕がなく変形は断熱的で，特に熱伝導率の 小さい鋼やチタン合金では比較的大きな温度上昇が生じる．そのため，金属材料の広 い試験温度域，ひずみ速度域での変形挙動を議論するためには，塑性変形中に発生し た熱による材料の温度上昇についても考慮する必要がある．本講演では，広範な温度 域（77K ～ 773 K)におけるβ型チタン合金のホプキンソン棒を用いた衝撃圧縮試験 および万能材料試験機による準静的圧縮試験を実施し，圧縮変形挙動に及ぼすひずみ 速度および試験温度の影響について報告する．また，衝撃試験における試験材の温度 上昇による強度低下を考慮して，仮想的な高速等温変形挙動を推定し，準静的試験結 果と比較することで純粋なひずみ速度依存性についても紹介する．さらに，準静的圧 縮試験および衝撃圧縮試験中の試験片の温度変化を熱電対および赤外線放射温度計を 用いて計測し，塑性変形の熱変換率について実験的検討を行った結果についても報告 する．また，軽量金属材料の代表的な発泡アルミ合金の圧縮変形挙動について，その 負荷速度依存性を考慮した構成式についても併せて報告する． | |
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大阪大学大学院基礎工学研究科 名誉教授 小林 秀敏 氏 | |
| 宇宙・地球・生態を貫く粉体の物理 | |
| 地球を含む太陽系固体天体の表面の大部分は微小な固体粒子群（粉体）で覆われてお り，その進化史などの適切な理解のためには，粉体の従う物理法則の解明が必要不可 欠となる．しかし，粉体の物理には未だに多くの未解明問題が残されており，その特 性は基礎・応用の両面から現在も盛んに研究されている．このような現状の中，我々 は特に粉体層への固体や液滴の衝突実験に取り組んできた．粉体層の表面に隕石など が高速で衝突するとご存知の通りクレーター孔が形成される．また，天体の表面に探 査機器等を安全に着陸させるためには，粉体層への固体低速衝突ダイナミクスの理解 も欠かすことができない．さらに，最近の実験的研究により，地球上の生物生態を制 約する粉体物理の特性が固体天体表面地形の形成過程と深く関連する可能性について も明らかにされつつある．本講演では，我々がこれまでに行ってきた「様々な条件下 での粉体層への低速衝突によるクレーター形成現象」に関する実験的研究について主 に紹介するとともに，宇宙・地球・生物生態の理解をつなげる粉体物理の普遍的特性 や意外な特徴についても概説する． | |
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大阪大学大学院理学研究科 教授 桂木 洋光 氏 |
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| 世話人：杉山和靖 | |
第172回 | 2021年7月27日 16:50-17:35 オンライン開催 （※Zoom を利用します．聴講をご希望の方は世話人・杉山（kazuyasu.sugiyama_at_me.es.osaka-u.ac.jp）まで①氏名 ②所属を添えて2021年7月26日（月）までにメールにてお申し込みください．ミーティングリンクは，メールでお知らせします） |
| 垂直・水平に並んで上昇する2気泡の相互作用 | |
| 気泡が多数混ざった流れでは，近づく・離れると言った気泡同士の相互作用によって局所的な気泡分布が発生し，流動構造が変わることが知られている．我々は相互作用の素過程を明らかにするため，まず2気泡間相互作用の実験を行った．気泡と固体粒 子の境界条件の違い，そして気泡の形状変化によって全く異なった相互作用が働いた．例えば垂直方向配列では，固体粒子はドラフティングにより近づくが，気泡は揚力が働き配列が崩れた．次に詳細を知るためVOF法を用いた数値解析にも取り組んだ．VOF法は界面が鈍るが，境界適合法との比較により，せん断0条件より僅かに存在する境界層を解像すると，液体の圧力-速度分布を外挿することで気泡界面の圧力-速度分布を導出できることが示された．慣性力・表面張力で変化する気泡間相互作用を，流動構造・界面圧力分布に着目して説明する． | |
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楠野宏明 特別研究員(PD) 静岡大学工学部機械工学科 |
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| 世話人：杉山和靖 | |
第172回 | 2021年7月20日 16:50- オンライン開催 |
| 乱流カスケードのミニマルモデル | |
| 乱流における普遍性の背後には乱流カスケードがある。これは、エネルギーやエンストロフィーといった保存量が大スケール（小スケール）から小スケール（大スケール）へ連続的に流れるという現象である。 この輸送される保存量の波数空間における分布はスケール間のフラックスによって支配されており、例えば流体乱流ではエネルギースペクトルはKolmogorov則に従う。したがって、乱流の現象論を構築するためにはカスケードの機構を解明し分類していく必要があるが、乱雑な流れ場の中でカスケードがどのように維持されているのか判然としない。そこで本講演では、カスケードを示す単純な数理モデルを提案する。構成されたモデルはスピンを「速度」とみなした、振幅がゆらぐ変形XYモデルと解釈できる。このモデルにおいて非Kolmogorov則を伴うエネルギー逆カスケードが生じることを理論的・数値的に示す。最後にスピン乱流や大気乱流との関連についても触れる。 | |
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田之上智宏 特別研究員(DC) 京都大学理学研究科物理学第1教室 |
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| 世話人：大槻道夫 | |
第171回 | 2021年4月21日 17:20-18:20 オンライン開催 |
| 面外成分を含む接着細胞牽引力の評価に向けたデータ同化逆解析アプローチ | |
| 細胞自身による牽引力の発生，接着を介した周囲力学環境を経た細胞自身の応答，これらの内側→外側→内側のフィードバック応答の理解のためには，細胞形状や関連分子の動態に加え，付随して発生する力の評価が必要不可欠である．細胞牽引力顕微鏡では，基質ゲル内に混入された微小蛍光粒子群の計測画像とゲル弾性モデルにより細胞牽引力が評価されるが，面外成分に対する実用的な評価方法は十分確立されていない．講演者は，変分データ同化の枠組みに基づく定式化を展開することで，従来にはない接着細胞の三次元牽引力場の推定アプローチを構築した．本アプローチは，一般的な光学顕微鏡により計測されるゲル断面画像を用いた推定を原理的には可能とする．セミナーでは，提案アプローチの方法論，そのバリエーション，また数値妥当性を示すとともに，実際の計測画像を用いた解析例を示す． | |
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伊井仁志 准教授 東京都立大学大学院システムデザイン研究科機械システム工学域 |
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| 世話人：出口真次 |
