Nonlinear analysis of flexible beams undergoing large rotations Via symbolic computations

In this paper, a two-stage approach is presented for analyzing flexible beams undergoing large rotations. In the first stage, the symbolic forms of equations of motion and the Jacobian matrix are generated by means of MATLAB and written into a MATLAB script file automatically, where the flexible beams are described by the unified formulation presented in our previous paper. In the second stage, the derived equations of motion are solved by means of implicit numerical methods. Several comparison computations are performed. The two-stage approach proves to be much more efficient than pure numerical one

パルス超音波を利用した凝固制御による生体・食品の低損傷・凍結保存技術の開発

金沢大学機械工学系食品の凍結保存は低温化と活性水分の低減により生化学反応の抑制を図るものであるが,凍結の過程で細胞(筋繊維)レベルでのミクロ現象が生じ,これが各種の機械的損傷や膠質的損傷を発生させる要因となる.したがって,食品の品質(風味,テクスチャー)を損なわない効果的な冷却技術の開発が必須となる.本謀題は以上の観点から進めるものであり,凍結過程で超音波を付与するととにより,超音波キャビテーションによる衝撃波を発生させ,それにより(1)細胞内過冷却の能動的解除と,(2)細胞内外の氷結晶の微細化を図るものである.最終的には,食品全城の氷晶を微細化させる新しい凍結技術の開発を目指すものである.具体的には模擬食品(寒天)および食品(馬鈴薯)を供試した凍結実験を行い,氷晶の生成状態を超音波出力および冷却速度と関連づけて追究し,以下の成果を得た.1.低温度城(0℃〜-5℃)において超音波キャビテーションの発生を確認した.2.冷却速度が大きい条件において超音波による氷結晶の微細化の効果を見出した.また,超音波出力の増加につれて氷晶径および長径/短径比は減少することを明らかにした.3.超音波による氷晶の微細化の機構について検討し,音響流による試料表面の熱伝達促進以外の要因がある可能性が示された.4.本実験範囲では,氷晶制御に及ぼす溶存気体の影響は小さい.5.超音波付与により,水溶液中で成長する氷結晶は高次アーム化することが示された.6.馬鈴薯の凍結・解凍実験を行い,超音波付与により,細胞内外の氷晶による機械的損傷の軽減が認められた.しかし,電気インピーダンス法による計測の結果,細胞膜の凍結損傷は防止できていないことが判った.Freezing can slow down or stop some biological reactions for preserving food. It is also true that the freezing is lethal to keeping the taste of food. During freezing, the extra- and intra-cellular ice formation, osmotic water permeation through cell membrane, deformation of the cell and other behavior occur at microscale and they bring serious injuries connecting to drip and denaturation of protein.A method to actively controlling crystallization is one of promising technique for cryopreservation. The object of this project is to study the effects of ultrasonic irradiation on ice formation during freezing of biological materials. In the experiments, agar gel and/or potato tissue was frozen under irradiation of ultrasound at frequency of 28kHz. The measurements of temperature and the microscopic observation of ice crystals by using fluorescent indicator were carried out.Firstly, the cooling rate of sample augmented according to the increase of the ultrasonic power, since acoustic streaming and flow disturbance due to acoustic cavitation increased. Secondly, it was found that ice structure size decreased with increasing ultrasonic power in case of rapid cooling. Furthermore, the ultrasonically induced effects on freezing was analyzed using local cooling rate defined at freezing front. It was clarified that smaller ice crystals were formed by irradiating ultrasound, comparing with case without ultrasound, under being the same local cooling rate. Therefore, there are effects on ice formation through not only enhancing local cooling rate due to acoustic streaming, but also other relevant phenomena. The mechanism of sonocrystallisation in biological tissue was discussed in relation to ultrasonic power and cooling rate.研究課題/領域番号:16560178, 研究期間(年度):2004-2005出典：「パルス超音波を利用した凝固制御による生体・食品の低損傷・凍結保存技術の開発」研究成果報告書　課題番号16560178 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

食品凍結における伝熱と品質変化を連結する階層的研究

金沢大学機械工学系食品の凍結保存は,原理的には,低温化と活性水分の低減により品質の長期維持を図るものであるが,凍結過程で各種の機械的損傷や膠質的損傷を伴う.したがって,食品凍結においては,(1)マクロな伝熱現象,(2)細胞内外での氷晶の偏在形成や,細胞膜を通した水分移動による溶液の濃縮と細胞の収縮などのミクロな現象,(3)これらの状態のもとでの組織・組成の物理・化学的変化,の階層的な取扱いが必要であり,最終的に(4)風味やテクスチャー(食感)などの官能評価へと繋がる.本課題は以上の観点に立って進めるものであり,マグロ魚肉の凍結過程のCryo-SEM観察,凍結過程の数値シミュレーション,凍結後の食品の品質の定量的推算を行い以下の成果を得た.1.緩速冷却の場合には筋繊維間の領域に形成された氷晶の成長が支配的であり,水分は筋繊維内から筋繊維間隙に移動して凍結する.これに対して急速冷却の場合には筋繊維内部に多数の微細氷晶が発生・成長する.2.緩速冷却の場合には,凍結が進むにつれて筋原繊維タンパク質のCa^-、ATPase活性値が低下し、また解凍後のドリップ(液汁)量が多くなり,凍結による損傷が増大する.3.凍結損傷の因子分析の結果,筋繊維の脱水率がタンパク質の変性度を,また筋繊維外。の凍結固相率がドリップ量を表す有効な指標となることが明らかにされた.4.筋繊維群よりなる構造体の凍結モデルが提示され,凍結過程における温度履歴,氷晶の偏在形成ならびに筋繊維の脱水・収縮の状態を解析的に予測することが可能となった.5.3および4の成果を組み合わせることにより,マクロ伝熱,ミクロ現象,凍結後の品質変化を連結することが可能となり,凍結による品質変化の定量的予測が実現された.Freezing can slow down or stop some biological reactions for preserving food. It is also true that the freezing is lethal to keeping the taste of food. During freezing, the extra- and intracellular ice formation, osmotic water permeation through cell membrane, deformation of the cell and other behavior occur at microscale and they bring serious injuries connecting to drip and denaturation of protein.In this research project, heat transfer and damage of food during freezing process have been studied analytically and experimentally. In experiments, muscle tissue of tuna was cooled by airblast method. The freezing process of tissue was observed by using a cryo-scanning electron microscope as a function of temperature. The drip after thawing of frozen tissue and Ca-ATPase activity of the myofibril were also measured.Summarizing these results, firstly, the process of ice formation and the dehydration of muscle fiber were clarified with cooling rate. Secondly, it is made clear that the dehydration ration of the muscle fiber is available parameter which described changing in quality of food after freezing, and the frozen solid fraction in extracellular region is the useful parameter to described the rate of drip. Thirdly, the freezing model of muscle tissue was proposed. Through analysis, the temperature distribution in the tissue, the state of ice formation, the microbehavior of intra- and extra-muscle fiber are numerically calculated. On the basis of these results, the accurate prediction of changing in quality of food after freezing can be achieved analytically in conjunction with cooing condition, membrane permeabily, and tissue size.研究課題/領域番号:11650213, 研究期間(年度):1999-200

パルス電場による固気混相流の制御と伝熱促進

金沢大学自然科学研究科自然エネルギーの開発を始めとするこれからのエネルギー対策においては,熱交換器の高性能化は必須の課題であるが,その基本は伝熱促進にある.本研究は,粒子の壁面衝突や境界層攪乱などの伝熱促進の要因を内在する固気混相流に周期電場を付与し,粒子運動を電気流体力学(EHD)的に制御することにより,壁面熱伝達の向上を追求するものである.具体的には,方形波状の交番電場,およびon,off状態を周期的に繰り返す間欠電場の2種類を対象とし,電場中の粒子挙動と伝熱特性を電場の周波数およびDuty比(一周期中の正極電場の印加時間の割合)と関連づけて追求した結果,以下の知見を得た.(1)固気混相流に正極および負極の電場を同じ時間間隔で交番させて付与すると(Duty=0.5),周波数が40Hzの場合には,クーロン力の方向が短い周期で反転を繰り返すため多くの粒子は鉛直上方に直線的に運動する.周波数がより短く,Duty比を0または1に近づけるほど,粒子は両壁面と活発に衝突・反発を繰り返す.(2)壁面衝突した粒子の一部は壁面との接触により電荷を放出した後、壁面と同極性に再荷電され,クーロン力により異極性の対向壁へ移行する様子が高速度ビデオ観察により確認された.また、このような粒子の自己荷電による飛び出しが電場極性の反転による外部制御よりも優先するため、交番電場による粒子運動の制御が困難であることが明らかになった.(3)交番電場を付与した場合、周波数が低くなるにつれて粒子の壁面衝突が活発となり,これにより熱伝達率が向上する.また、Dutyを変化させた場合、Duty=0.5で極小値をとりDutyが0または1に近づくにつれて伝熱促進効果は増加し,最終的に直流電場の値に漸近する.(4)間欠電場を付与した場合、周波数による熱伝達率の影響は殆ど見られず,Dutyの増加により伝熱促進効果は単調に増加することが判った.研究課題/領域番号:07750225, 研究期間(年度):1995出典：研究課題「パルス電場による固気混相流の制御と伝熱促進」課題番号07750225（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-07750225/）を加工して作

電場を付与した固気混相流による熱伝達の促進と制御

金沢大学工学部研究課題/領域番号:03750140, 研究期間(年度):1991出典：研究課題「電場を付与した固気混相流による熱伝達の促進と制御」課題番号03750140（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-03750140/）を加工して作

Crystal growth and its morphology in the mushy zone

In the solidification of multicomponent alloys, a mushy zone appears between the solid and liquid regions and promotes stable solidification by accepting the rejected solute regionally. In this study, the link between heat transfer and microstructures of the mushy zone has been studied experimentally and theoretically. First, the crystal morphology of the mushy zone at a microscale was observed by using succinonitrile–acetone solution and Bi–Sn alloys melts. It was found that the mushy zone consists of a leading front, in which the microstructures originate, and a growing region, where solidification proceeds with the fattening of the crystals. Next, the mechanism of dendritic sidebranch evolution was studied, taking into account the interfacial instability. To summarize these results, a macro–microscopic model is presented, and the change of crystal morphology at the microscale level was analyzed in relation to cooling rate, initial concentration, and distance from a cold wall

超音波を利用した凝固制御による生体組織のガラス化保存技術の開発

金沢大学機械工学系医療技術やバイオテクノロジーの発達に伴って生体細胞・組織を凍結保存する技術の確立が求められている.凍結保存は低温化と活性水分の低減により生化学反応の抑制を図るものであるが,凍結の過程で細胞内外に氷晶が形成され,それが各種の機械的損傷や膠質的損傷を発生させる要因となる.このような凍結損傷を完全に回避するためには,細胞内の水が結晶化せず,液体構造がそのまま固定化されるガラス化現象を発現させるのが理想的である.そこで本研究では,超音波を付与することにより凍結過程における核生成の能動的制御を追究した.すなわち,超音波の付与により,超音波キャビテーションによる衝撃波を発生させ,それにより水素結合で凝集している水分子のクラスターを解離させ,過冷却の促進を図り,最終目標としてガラス化を目指すものである.具体的には,生体模擬組織として寒天ゲルを供試した凍結実験を行い,過冷却度および氷晶の生成状態を超音波出力および冷却速度と関連づけて実験的に追究し,以下の結果を得た.(1)本装置では超音波照射による過冷却の促進効果は認められなかった.冷却速度が小さすぎること,超音波の周波数が低いこと,および超音波出力が不足していることなどが原因と考えられる.今後,装置系について見直しが必要である.(2)組織体表層部において超音波照射による氷晶の微細化の効果が認められた.また,音響流に基づく氷晶の微細化の効果は小さく,氷結晶の微細化は主に超音波キャビテーションの効果であることが示された.(3)冷却熱流束に対して超音波出力が過大になると,音波吸収による発熱作用が顕在化し,逆に氷結晶の肥大化を招くことが判った.(4)この対策として,超音波の間欠照射方式を提案し,その有効性が検証された.Freezing can slow down or stop some biological reactions for preserving biological cell. It is also true that the freezing is lethal to the living system. During freezing, the extra- and intra-cellular ice formation, osmotic water permeation through cell membrane, deformation of the cell and other behavior occur at microscale and they bring serious injuries connecting to life-and-death of living cell.A method to actively controlling crystallization is one of promising technique for cryopreservation. The object of this project is to study the effects of ultrasonic irradiation on ice formation during freezing of biological materials. In the experiments, agar gel was frozen under various irradiation methods of ultrasound at frequency of 28 kHz. The measurements of temperature and the microscopic observation of ice crystals by using fluorescent indicator were carried out.Firstly, it was found that ultrasound released the supercooling states, and reduced ice crystal size in the tissue. However, the fattning of ice crystal was observed by irradiation of higher ultrasonic power, since the cooling rate was reduced due to absorption of the ultrasonic wave. The ice crystal size in the tissue was clarified in relation to ultrasonic power and tissue size. Secondly, various irradiation methods were tested. It was found that the pulsed irradiation is useful for reducing ice crystal size, since the fattening of ice crystal due to absorption of ultrasonic wave is reduced. The mechanism of sonocrystallization in biological tissue was discussed in relation to ultrasonic power, on-off frequency and irradiation duration.研究課題/領域番号:18560195, 研究期間(年度):2006-2007出典：「超音波を利用した凝固制御による生体組織のガラス化保存技術の開発」研究成果報告書　課題番号18560195 (KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）)　　　本文データは著者版報告書より作

生体細胞の凍結・解凍におけるミクロ挙動と生存状態の推定

金沢大学理工研究域生体細胞の凍結保存は低温化と活性水分の低減により生存状態の長期維持を図るものであるが、冷却の過程で各種の機械的・膠質的損傷が生じる。したがって、凍結保存に対する伝熱的研究をおいては、(1)マクロ的な冷却操作、(2)細胞内外での氷晶形成や濃縮を伴う細胞の変形など、細胞レベルでのミクロ挙動、さらには(3)これらの状態のもとで分子レベルでの細胞の生死などの階層を、それぞれ連結することが課題となる。本研究課題はこのような観点から進めるものであり、前年度は主として(2)と(3)の連結に関する実験的な追究を行った。本年度は階層の中位にある(2)について検討し、特に細胞内の氷晶形成をより高い解像度で記述する速度論を追究すると共に、最終目的である(1)〜(3)を連結したミクロ速度論を展開した。本年度の研究成果は以下のように集約される。(1) 小麦プロトプラストを供試したin vitroな凍結実験を行い、細胞外氷晶が膜表面での不均質核生成を発生させる要因であり、また、細胞膜の収縮はその作用を抑制することが明らかにされた。(2) 膜表面での不均質核生成(Surfec catalyzed nucleation:SCN)モデルに上記の動的因子を組み込んだ細胞凍結モデルが提示され、その有効性が検証された。(3) 各階層に対する記述を連結させ、マクロな伝熱過程を決定する操作パラメータ(冷却速度、凍害防御剤の濃度)ならびに生物試料(膜透過係数、組織体寸法)に対して凍結後の細胞の生残率を得るモデルが構築され、これによりマクロとミクロを連成した輸送現象論の確立が概ね達成された。研究課題/領域番号:09750221, 研究期間(年度):1997 – 1998出典：「生体細胞の凍結・解凍におけるミクロ挙動と生存状態の推定」研究成果報告書　課題番号09750221（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所））（https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-09750221/)を加工して作

パルス電場による固気混相流の制御と電熱促進

金沢大学自然科学研究科自然エネルギーの開発を始めとするこれからのエネルギー対策においては,熱交換器の高性能化は必須の課題であるが,その基本は伝熱促進にある.本研究は,気流中に微細な固体粒子を分散させた固気混相ダクト流に電場を付与することにより,壁面近傍での気流乱れの生成や粒子の壁面衝突などを能動的に制御し,それによる伝熱促進を図ろうとするものである.具体的には,直交平等電場が付与された固気混相ダクト流を対象に,中空ガラス粒子を供試した流動・伝熱実験を行い,電気流体力学(HED)的に制御された粒子の運動が流れ場および熱伝達特性に及ぼす粒子効果について検討した結果,以下の知見を得た.1.電場が付与された流れ場(EHD場)において,中空ガラス粒子は流れ方向に交番する壁面偏り運動をを繰り返すことが,観察および粒子運動モデルの両面から明確にされた.2.クーロン力の強さを表す印加電圧および活動する粒子数を表すロ-ディング比を増加させることにより熱伝達の向上が見られ,電場付与の有効性が確認された.3.クーロン力を受けて粒子が偏って流れる壁面近傍では,気流速度の低下および乱れ度の減少が生じることから,粒子による境界層撹乱効果は期待できないことが示された.4.粒径,ロ-ディング比,印加電圧に関わらず熱伝達率と粒子による熱輸送量との間にほぼ一定の相関が認められ,粒子による熱輸送効果が伝熱促進における支配的な要因であることが明きらかにされた.温度境界層内外で粒子による吸熱および放熱を十分に行えるだけの熱的応答性を有している場合には,粒子の熱容量が大きな粒子ほど伝熱促進に有利となる.また比熱を一定とした場合,粒径が小さな粒子ほど熱輸送効果が大きいことが明らかとなった.研究課題/領域番号:06750201, 研究期間(年度):1994出典：研究課題「パルス電場による固気混相流の制御と電熱促進」課題番号06750201（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-06750201/）を加工して作

電場を利用した対流伝熱の促進

金沢大学工学部研究課題/領域番号:01750183, 研究期間(年度):1989出典：研究課題「電場を利用した対流伝熱の促進」課題番号01750183（KAKEN：科学研究費助成事業データベース（国立情報学研究所）） （https://kaken.nii.ac.jp/ja/grant/KAKENHI-PROJECT-01750183/）を加工して作