hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
『炭俵』『別座敷』の分析による「かるみ」の研究

後述の通り、当初予定していた、(1)『炭俵』『別座敷』の入集者調査と作品の分析、(2)元禄前後の俳書に関する調査、(3)「かるみ」と同時期の蕉門外の俳諧に対する着目について、それぞれ成果を上げることができた。(1)は、なお不十分な面を残しつつも、連句分析に新しい評価軸を導入できたことが大きく、今後の作品分析に応用できると考えている。(2)は、「元禄時代俳人大観」の完成が間近に迫るようになった。(3)も、今回は一作品の分析にとどまるものの、具体的に未注釈文献に取り組んだことにより、当該作品の性格がよく知られるようになった。また、地方俳諧との比較を通して「かるみ」の本質を考えるという、新たな視点を得られたことも、大きな収穫といえる。芭蕉が晩年に唱えた「かるみ」の実態とその影響を明らかにするため、いくつかの方針を立てて、調査・研究を開始した。その一つは、『炭俵』『別座敷』の内容や入集者の分析を通して、芭蕉がいう「かるみ」がどのような形で具体的に顕現しているかを、調べること。そのために、これまでの研究を集成した文献目録と、入集者の俳歴を一覧の形にする略年譜集の作成を計画。二年後の完成をめざし、今年度は、そのための基礎的な作業を行った。注釈活動も、これに連動して行われるべきことになり、今年度も、いくつかの資料紹介や注釈の活字化を行った。二つめとして、『炭俵』『別座敷』が刊行されたと同時期、あるいはそれ以後の俳書を総合的に調査し、入集者の一覧を中心に、基本的なデータを抽出・蓄積すること。この点に関しては、貞享元年以後の俳書を対象に、「元禄時代俳人大観」の題目で発表を続けており、今年度は、宝永元年に刊行された俳書の調査を進め、「元禄時代俳人大観(二十七)」と「元禄時代俳人大観(二十八)」を公にした。また、その調査を中心的な目的として、石川県立図書館の月明文庫や三原市立図書館の蔵書調査などを行ったが、その過程で、もう一つの方向性が浮かび上がってきた。それは、三原において顕著であるように、芭蕉が「かるみ」を唱えていたころ、地方俳壇の多くはなお一時代前の談林調を示し、元禄末から宝永・正徳・享保の時代になって、「かるみ」の風潮になびいていく、ということであり、地方俳壇の動向を広く調べる必要性が痛感されるようになった。最終的には、宝永期以後の「かるみ」化した地方俳譜と、芭蕉自身の「かるみ」とを比較・検討することも視野に入れ、今後の研究を進めていくという、見通しを得るに至ったわけである。昨年度の研究の進展をもとに、今年度は、(1)宝永元年・二年の俳書に関する綱羅的調査(2)これまでに蓄積してきた「元禄時代俳人大観」のデータ化(3)『炭俵』と『別座敷』に見える俳人の略年譜作成(4)先行文献の精査と連動させた注釈作業への着手(5)「かるみ」提唱期の地方俳諧の調査を活動目標に掲げて、研究を開始した。(1)は予定通りに進み、「元禄時代俳人大観(二十九)」「同(三十)」(『近世文芸研究と評論』72・73)として成果を公表。(2)も順調に進行中。(3)(4)(5)は数度の打ち合わせと研究会をもち、一定の見通しができ、方向性も定まってきたので、来年度はここに力を入れて、研究の総括をする予定でいる。なお、(2)に関しては、データが整備された段階で、書籍の形での出版を考えており、出版社との打ち合わせも進んでいる。活動をより具体的にのべると、(1)のためには、尾道大学の下河内文庫、三原市立図書館、石川県立図書館の月明文庫に、俳書の調査に出かけ、資料の探査を行った。されは、昨年度の調査旅行で見えてきた、地方俳諧を調べることが、芭蕉たちの「かるみ」をより十全に理解する上で、きわめて有効な方法たりうるとの考えに立つもので、実際に出向いて資料を見ることで、わかってきたことが多々ある。また、調査旅行の折の時間も使いながら、研究代表者と研究分担者・研究協力者の間では、以上のことが共通理解として共有されるに至り、それが研究会の開始を促し、個々人による作業と並行しつつ、それらを踏まえて、共同作業を進める段階に及んでいる。来年度、これを継続し、研究を深め、まとめていくことになる。

今年度は、当研究の総括の年にあたる。3年間のまとめとなる冊子の制作を念頭におきつつ、今年度の計画としては、次の5点を設定した。すなわち、(1)宝永三年に敢行された俳書の調査とそれに基づく「俳人大観」の作成(2)「元禄時代俳人大観」全体の整備(3)『炭俵』『別座敷』入集者略年譜の完成(4)『炭俵』(ないし『別座敷』)所収歌仙の注釈(5)『備後砂』所収歌仙の注釈である。(1)は『近世文芸研究と評論』誌上に2回の掲載を果たし、(5)についても「春の日の」歌仙の評釈を同誌に掲載した(次項「雑誌論文」参照)。(2)と(3)についても稿が成り、それらは(1)・(5)ともども、『平成十八年度平成二十年度科学研究費補助金研究成果報告書『炭俵』『別座敷』の分析による「かるみ」の研究』(平成21年3月31日和洋女子大学佐藤勝明研究室)の中に収めた。(2)については、来年度中の刊行をめざし、校訂作業を続行している。これらの作業により、「かるみ」の特色がより明確になってきたのはもちろん、そのほかにも、地方俳譜と比較しつつ蕉風の「かるみ」を追究すべきであるとの知見を得たことが、大きな収穫といえる。これは、次の研究に引き継いでいく予定である。
極小曲面とその時間発展の有界変動解の正則性と特異性の解析

(平成15年度研究成果,実績概要)研究代表者三沢は主に高次元定平均曲率曲面の時間発展を研究した.高次元定平均曲率曲面の時間発展に対する初期値境界値問題を考察し,小さい初期値境界値に対して時間大域的な弱解の存在とその解の部分的正則性を証明した(論文作成中).研究分担者山浦は極小曲面の自由境界問題をある近似法により研究した(平成15年度のみ分担者,平成16年度は海外滞在).研究分担者利根川は相境界が極小曲面で与えられる相転移問題に関連する特異摂動問題を研究し,極限界面として得られる相境界の正則性を解析する上で基本的役割を果たす特異摂動問題の解のスケールエネルギーの単調性公式を証明した.これにより極限界面が連結であることを示した.(平成16年度研究成果,実績概要)研究代表者三沢は,主に高次元極小曲面の自由境界問題を研究した.変分的手法(minimax method)により高次元極小曲面の自由境界問題の不安定な解の存在と正則性を証明した.また,この不安定な解によって時間発展問題の解の特異性を特徴つけた(論文作成中).以上に関連して,p-調和写像の時間発展に対する自由境界問題を考察し,小さいエネルギーの初期値に対して時間大域的な弱解の存在とその解は空間一階導関数とともにヘルダー連続であることを証明した(論文作成中).研究分担者利根川は,相境界が極小曲面で与えられる相転移問題に関連する特異摂動問題を研究し,特異摂動問題の安定な解の収束とその極限として得られる相境界の正則性とある種の安定性を証明した.(平成15年度研究成果,実績概要)研究代表者三沢は主に高次元定平均曲率曲面の時間発展を研究した.高次元定平均曲率曲面の時間発展に対する初期値境界値問題を考察し,小さい初期値境界値に対して時間大域的な弱解の存在とその解の部分的正則性を証明した(論文作成中).研究分担者山浦は極小曲面の自由境界問題をある近似法により研究した(平成15年度のみ分担者,平成16年度は海外滞在).研究分担者利根川は相境界が極小曲面で与えられる相転移問題に関連する特異摂動問題を研究し,極限界面として得られる相境界の正則性を解析する上で基本的役割を果たす特異摂動問題の解のスケールエネルギーの単調性公式を証明した.これにより極限界面が連結であることを示した.(平成16年度研究成果,実績概要)研究代表者三沢は,主に高次元極小曲面の自由境界問題を研究した.変分的手法(minimax method)により高次元極小曲面の自由境界問題の不安定な解の存在と正則性を証明した.また,この不安定な解によって時間発展問題の解の特異性を特徴つけた(論文作成中).以上に関連して,p-調和写像の時間発展に対する自由境界問題を考察し,小さいエネルギーの初期値に対して時間大域的な弱解の存在とその解は空間一階導関数とともにヘルダー連続であることを証明した(論文作成中).研究分担者利根川は,相境界が極小曲面で与えられる相転移問題に関連する特異摂動問題を研究し,特異摂動問題の安定な解の収束とその極限として得られる相境界の正則性とある種の安定性を証明した.研究分担者利根川はイタリアピサ高等研究所における幾何解析集中セミナー(11/14-22)に参加し,研究発表を行った.研究分担者小林治は北海道大学,九州大学の研究セミナーに参加し研究打ち合わせを行った.研究代表者三沢は月一回土曜日の熊本大学解析セミナーに関連研究者を招き,情報交換および研究打ち合わせを行った.また,研究分担者山浦義彦を熊本大学に1週間招き,極小曲面に関する集中セミナー行った.研究代表者三沢は主に高次元定平均曲率曲面の時間発展を研究した.高次元定平均曲率曲面の時間発展に対する初期値境界値問題を考察し,小さい初期値境界値に対して時間大域的な弱解の存在とその解の部分的正則性を証明した.また,自由境界問題を考察し,大きい初期値に対して時間局所解の存在とその解の爆発時刻での挙動を解析した.以上に関連してm-調和写像の時間発展に対する自由境界問題を考察し,大きい初期値に対して時間大域的な弱解の存在とその解は有限個の特異点を除いて空間-階導関数とともにヘルダー連続であることを証明した.これら結果は論文作成中である.研究分担者山浦は極小曲面の自由境界問題をある近似法により研究した.研究分担者利根川は相境界が極小曲面で与えられる相転移問題に関連する特異摂動問題を研究し,相境界の正則性を解析する上で基本的役割を果たすスケールエネルギーの単調性公式を証明した.研究分担者小林治は,北海道大学,九州大学の研究セミナーに参加し研究打ち合わせを行った.研究代表者三沢は月一回土曜日の熊本大学応用解析セミナーに関連研究者を招き,情報交換および研究打ち合わせを行った.また,京都大学数理解析研究所,九州大学,佐賀大学,愛媛大学,広島大学,大阪大学,慶応大学,北海道大学において関連研究者と研究打ち合わせを行った.研究代表者三沢は,主に高次元極小曲面の自由境界問題を研究した.変分的手法(minimax method)により高次元極小曲面の自由境界問題の不安定な解の存在と正則性を証明した.また,この不安定な解によって時間発展問題の解の特異性を特徴つけた(論文作成中).さらに,これら結果を与えられた関数を平均曲率とする曲面の時間発展問題に一般化することを考察中である.以上に関連して,p-調和写像の時間発展に対する自由境界問題を考察し,小さいエネルギーの初期値に対して時間大域的な弱解の存在とその解は空間一階導関数とともにヘルダー連続であることを証明した(論文作成中)

.研究分担者利根川は,相境界が極小曲面で与えられる相転移問題に関連する特異摂動問題を研究し,特異摂動問題の安定な解の収束とその極限として得られる相境界の正則性,安定性を証明した.
埋め立て焼却残渣の自発的脱重金属化とその溶出メカニズムの解明

埋め立てられた焼却灰の重金属に対し、錯体形成による溶出メカニズムについて検討を行った。クエン酸が最も大きな錯体形成能を有し、尿素が共存することで特にCr,Cu,Fe,Pの溶出を促進させることを示した。埋立地で生成される腐食物質は特に銅と錯体形成しやすく、銅の90%以上が腐食物質と錯体形成すること、ただし自然環境由来の腐食物質よりは錯体形成能が小さいことを明らかにした。pH依存性試験と逐次抽出試験を組み合わせた実験より、地球化学的熱力学平衡計算による計算結果と実験的分析結果に大きな解離があることを示した。焼却灰中の重金属溶出挙動は溶解度支配となる幾つかの鉱物のみに着目すれば良いわけではなく、予想より複雑な現象であることが示唆された。また、溶出メカニズムにおいて化合形態変化が他の化合形態の溶出現象に与える影響は無視できなく、化合形態変化に伴って溶出しづらい形態からの溶出が誘発される可能性があることを明らかにした。最終埋立地からは有害重金属を含む浸出水が排出されるため、埋立終了後においても安定化までに数十年間の管理が必要である。最終埋立地の早期安定化は運営コスト面、環境負荷面から切実な社会的要求となっている。早期安定化には「重金属の安定的な封じ込め」ないしは「重金属の速やかな除去」の2通りの手段があり、本研究では根本的な埋立地の安定化・埋立焼却残渣のリサイクルの観点から、錯体形成による重金属の早期除去・埋立地安定化を狙う。本年度では錯体形成・溶出実験から、クエン酸が最も大きな錯体形成能を有し、尿素が共存することで特にCr, Cu, Fe, Pの溶出を促進させることを示した。また、溶出メカニズムにおいて化合形態変化が他の化合形態の溶出現象に与える影響は無視できなく、化合形態変化に伴って溶出しづらい形態(有機物態)からの溶出が誘発される可能性があることを明らかとした。早期安定化には「重金属の安定的な封じ込め」ないしは「重金属の速やかな除去」の2通りの手段があり、本研究では根本的な埋立地の安定化・埋立焼却残渣のリサイクルの観点から、錯体形成による重金属の早期除去・埋立地安定化を狙った。平成22年度では、埋立地で生成される腐食物質が重金属(銅)と錯体形成しやすく、銅の90%以上が腐食物質と錯体形成すること、ただし自然環境由来の腐食物質よりは錯体形成能が小さいことを明らかにした。重金属の化学形態と溶出性の関係について塩素イオン濃度が与える影響を検討し、亜鉛、クロム、銅は塩素イオン濃度の増加と共に溶出濃度が増加すること、ただし化学形態変化へ与える影響はあまりないことを見出した。塩素イオン濃度による影響は、実埋立地からの重金属溶出に少なからず関与していることが示唆された。
考古学におけるデジタルアーカイブ化のための点群処理技術

本研究の目的は,実物体の高速かつ高精度な三次元アーカイブ化の実現である.そのために問題となる,三次元計測における点群処理の高度化をメインテーマとし,三次元計測により得られる三次元データに対する欠損の検出(1)および補間(2)がサブテーマとなっている.今研究では,これまで欠損周囲の形状特徴を利用し,(1)点群データの欠損検出手法高度化,および(2)点群データの欠損補間高度化に取り組んできている.具体的には,サブテーマ(1)に関しては,欠損周囲の三次元的な位置情報に加えて,欠損から構成されるボロノイ領域に着目し,ボロノイ領域の形状および面積を解析することで,密度が不均一となる複雑な点群データにも適用可能な欠損検出手法を提案している.また,サブテーマ(2)に関しては,周囲の形状特徴を利用し,連続性を重視した欠損補間手法を提案している.しかしながら,これらの手法は色なしの三次元データに対する手法であるため,点群の色情報を利用することで更なる精度向上が見込まれる.2018年度はこれらの手法を拡張し,色付きの三次元データへの適用に取り組んだ.三次元計測で得られた各点が位置情報および色情報を保持しているという前提条件で,ディープラーニングを用い,形状および色の欠損を同時に補間する手法を検討した.しかしながら,良好な結果は得られておらず同年度は十分な成果が得られなかった.そのため,欠損の色情報補間に関しては,画像処理技術を応用することとし,研究開発を進めている.当初の予定では,2018年度は欠損補間に焦点を絞り,形状および色の情報を利用することで更なる精度向上を目指した.また,ディープラーニングを用い,形状および色の同時補間手法を検討した.しかしながら,精度および計算速度などの観点から良好な結果は得られなかった.2019年度は,2018年度の引き続き色付き点群の欠損補間に焦点を絞り,形状および色の欠損同時補間を目指す.研究の方針として,2次元画像のインペインティング手法を提案手法と融合させることで,欠損補間手法の高精度化へと拡張する予定である.本課題は,三次元計測により実物体を三次元アーカイブ化することを目的としており,アーカイブ化の際に発生する各問題に関して取り組む.以下に,平成29年度に取り組んだ内容を記述する.平成29年度は,三次元計測により得られた点群データに対する(1)点群データの欠損検出高度化,(2)点群データの欠損補間高度化,に関する研究を行った.(1)点群データの欠損検出高度化三次元計測で得られた複雑な点群データに対して欠損検出を実現した.本手法では,注目点と近傍点との位置関係を利用した欠損検出手法であり,三次元的な位置情報に加えて,円形度やボロノイ領域の面積に基づき欠損の輪郭を表す点であるか否かを判定している.密度が不均一となる複雑な点群データにも適用可能であり,欠損の誤検出を低減することを可能としている.研究成果として,国際学会International Workshop on Advanced Image Technology 2018にて発表を実施した.(2)点群データの欠損補間高度化(1)の欠損検出により得られた情報を利用し,オクルージョンや計測対象の材質の影響により三次元計測で取得不可能となる箇所の補間を実現した.本手法は,欠損周囲の情報を利用し,欠損近傍点と補間点の連続性を保持した手法である.そのため,欠損近傍点と補間点との間に発生するギャップを低減することができる.また,欠損を横断するような文様を保持した補間も可能となる.研究成果として,国際学会WSCG 2017にて発表を実施した.平成29年度は,当初の予定どおり欠損検出と欠損補間に関する手法を開発し,三次元計測により得られた実データに対して良好な結果を得ることができた.しかしながら,本手法は欠損周囲に十分な点が存在することを前提とした手法であるため,更なる改良が必要である.本研究の目的は,実物体の高速かつ高精度な三次元アーカイブ化の実現である.そのために問題となる,三次元計測における点群処理の高度化をメインテーマとし,三次元計測により得られる三次元データに対する欠損の検出(1)および補間(2)がサブテーマとなっている.今研究では,これまで欠損周囲の形状特徴を利用し,(1)点群データの欠損検出手法高度化,および(2)点群データの欠損補間高度化に取り組んできている.具体的には,サブテーマ(1)に関しては,欠損周囲の三次元的な位置情報に加えて,欠損から構成されるボロノイ領域に着目し,ボロノイ領域の形状および面積を解析することで,密度が不均一となる複雑な点群データにも適用可能な欠損検出手法を提案している.また,サブテーマ(2)に関しては,周囲の形状特徴を利用し,連続性を重視した欠損補間手法を提案している.しかしながら,これらの手法は色なしの三次元データに対する手法であるため,点群の色情報を利用することで更なる精度向上が見込まれる.2018年度はこれらの手法を拡張し,色付きの三次元データへの適用に取り組んだ.三次元計測で得られた各点が位置情報および色情報を保持しているという前提条件で,ディープラーニングを用い,形状および色の欠損を同時に補間する手法を検討した.しかしながら,良好な結果は得られておらず同年度は十分な成果が得られなかった.

そのため,欠損の色情報補間に関しては,画像処理技術を応用することとし,研究開発を進めている.当初の予定では,2018年度は欠損補間に焦点を絞り,形状および色の情報を利用することで更なる精度向上を目指した.また,ディープラーニングを用い,形状および色の同時補間手法を検討した.しかしながら,精度および計算速度などの観点から良好な結果は得られなかった.平成30年度は,点群データの欠損補間高度化に関して引き続き取り組む予定である.本手法では,点群の位置情報のみ補間可能であるため,色情報にも対応できるように手法を拡張する.2019年度は,2018年度の引き続き色付き点群の欠損補間に焦点を絞り,形状および色の欠損同時補間を目指す.研究の方針として,2次元画像のインペインティング手法を提案手法と融合させることで,欠損補間手法の高精度化へと拡張する予定である.(理由)次年度使用額が生じた理由としては,当初予定していた研究調査が他学会と重なってしまたためである.研究調査は後ろ倒しとなり,平成30年度に実施する予定である.(使用計画)使用計画としては,研究を効率的に実施するための物品購入,学会参加のための旅費,論文投稿料として使用することを計画している.(理由)次年度使用額が生じた理由としては,当初予定していた提案手法で良好な結果が得られず,研究方針がが変更となったため,開発用PCおよび機材の購入が先送りされたためである.(使用計画)使用計画としては,研究開発用の機材購入,学会参加のための旅費,論文投稿料として使用することを計画している.
淡水域でカビ臭問題を引き起こすプセウドアナベナ属についての統合的研究

これらの2-MIB産生種は、その形態的特徴(サイズや色)が多様であり、非産生種と形態的特徴で区別することは出来なかった。従来、含有色素や細胞サイズで区別できるという論文が存在したが、私たちの結果はそれらの論文の結論を否定するものであった。これらの種の2-MIBに関するgene clusterを形成する4遺伝子を調べたところ、産生種では4遺伝子共に系統関係を反映していたが、非産生種では水平伝播を示唆する結果が得られた。本研究の結果、本邦の2-MIBを産するPseudanabaena属種については、ほぼ網羅出来たと考えている。しかし、非産生種については、既存種の実態が不明なこともあり、分類学的検討が不十分なままである。1.琵琶湖から採集・分離され琵琶湖環境科学センターで維持培養されていたPseudanabaena属の2-MIB産生株(PTG)および霞ヶ浦から私たちが分離した株について、Pseudanabaena foetida, P. subfoetidaとして新種記載を行った。両種は遺伝的には極めて近縁であり、当初同一種と考えていたが、細胞サイズが大きく異なり、ITS領域遺伝子の立体構造も異なることから別種として扱った。2.小川原湖・大分県のダムから、茶色をした2-MIB産生を行う株を分離した。本種は、上記した種と遺伝的に大きく異なり、別の新種と考えられた。3.細胞サイズによって、2-MIB産生の可能性を示すことが出来るとの報告もあったが、私たちのPseudanabaena属株を用いて検討した結果、細胞サイズと2-MIB産生の有無は無関係であった。4.日本から2-MIB産生株として同定されることもあるPseudanabaena galeataについて、模式産地であるデンマークのDybeso湖、Flynderso湖の調査を行った。両湖は、海岸に極めて近く硫化水素臭がするような環境であった。また、塩分濃度も高いため、日本の湖沼とは大きく異なり、日本の湖沼の種が、P. galeataで無いことが水環境からも明らかになった。5. 2-MIB産生に関する4遺伝子について、Pseudanabaena属内での分布を検討した。その結果、2-MIB遺伝子のタイプは系統は厳密に一致せず、水平流動の可能性が示唆された。6.これらの結果について、新種記載論文をFottea誌に発表すると共に、口頭発表を3件行った。当初、カビ臭産生種は1種と考えていたが、本プロジェクトの中で様々な株を確立することで、多数の新種が存在することが明らかになった。また、従来指摘されていた形態と2-MIBの有無についての関係を検討したところ、従来考えられていた方法では、2-MIBの有無を推定する事は出来ないことが明らかとなった。これらの結果は、1年目としては、大きな収穫であったと言える。Pseudanabaena属の2-MIBによるカビ臭産生種として、新たに2新種の記載論文を投稿し、1変種を記載した。研究当初の作業仮説では、1分類群によると考えていたので、大きく作業仮説が崩れたことになる。この新たな2変種と昨年度記載したP. foetida群とクレードがすべて異なり、2-MIBによるカビ臭産生種の遺伝的多様性が分かってきたことになる。また、従来、応用研究者によって用いられてきた細胞径と細胞長によるカビ臭産生の判定方法や、蛍光顕微鏡による判定のいずれも適用できないことが分かった。またITS領域を用いて、Pseudanabaena属について霞ヶ浦のメタゲノム解析を行った。これらについては、解析途中である。当初の作業仮説では一分類群と考えていたが、日本全国から株を分離し検討した結果、現在までに5分類群の新種記載を行う事が出来た。これらは形態的にも遺伝的にも多様で、2-MIB産生Pseudanabaena属の多様性を示すことが出来たと考えられる。また、2-MIB産生に関わる遺伝子の検討など、今年度以降に実施予定だった内容についても試行することが出来た。2-MIBによるカビ臭を産生する2新種(Pseudanabaena cinerea, P. yagii)と同属のITS領域の立体構造について論文を完成させ、Phycological Researchに受理された。これに関連し、霞ヶ浦のプランクトンからもP. yagiiを分離することに成功し、この論文に情報をして追加した。昨年度までに新種記載したP. foetidaの3変種を加え、本邦のカビ臭産生5分類群はすべて本研究課題で新種記載したものである。また、この3種は遺伝的にも大きく違うことが明らかになった。従来、Pseudanabaena属のカビ臭産生の有無の指標として扱われてきた長さと幅の比や、色素(蛍光の有無)による識別については、当館で分離した培養株で確認したところ、判別形質としては使えないことが明らかになった。ITS領域を用いた環境DNAによる次世代シーケンス解析によって、霞ヶ浦での3カ年のP. yagiiのトレンドを見いだすことが可能であった。この解析ではP. foetida群と一致するリードも存在し、霞ヶ浦でのカビ臭産生2分類群の季節変動を追いかけることが可能であった。これらの成果は今後の応用学的なモニタリングにおいて重要な基礎的情報であると言える。近年普及しつつあるNanopore

シークエンサーを用いてPseudanabaena属の16S rRNA-ITS-5S rRNAのオペロンのシークエンスを行った。読み込みエラーが大きいため、従来の環境DNA解析のツールが使えないため、解析に苦戦している。カビ臭を産生するPseudanabaena分類群についてはほぼ網羅できたと考えられる。また、カビ臭産生遺伝子の解析や環境DNAの解析についてもほぼ目途が立ち、当初予定していたレベルに達している。一方、Pseudanabaena属のカビ臭非産生種の遺伝的多様性が大きいことが明らかになり、それらについての把握については更なる研究が必要なことが見えてきた。これらの2-MIB産生種は、その形態的特徴(サイズや色)が多様であり、非産生種と形態的特徴で区別することは出来なかった。従来、含有色素や細胞サイズで区別できるという論文が存在したが、私たちの結果はそれらの論文の結論を否定するものであった。これらの種の2-MIBに関するgene clusterを形成する4遺伝子を調べたところ、産生種では4遺伝子共に系統関係を反映していたが、非産生種では水平伝播を示唆する結果が得られた。本研究の結果、本邦の2-MIBを産するPseudanabaena属種については、ほぼ網羅出来たと考えている。しかし、非産生種については、既存種の実態が不明なこともあり、分類学的検討が不十分なままである。新たな株を継続的に分離すると共に、2-MIB関連遺伝子の水平流動について、より、精密に分析を行う事で、本邦におけるPseudanabaena産生種の実態を明らかにしていきたい。2-MIB産生Pseudanabaena属について、2-MIB産生に関わる遺伝子の解析を進める。特に、遺伝子を一部保有するが2-MIBを産生しない株について、それらの遺伝子がどのような状態にあるかについて詳しく解析する。また、現場での2-MIB産生Pseudanabaena属の解析に資するため、2-MIB産生種を区別するための方策について、形態・色素(蛍光を含む)・メタゲノム解析など多方面から検討を行う。特にメタゲノム解析については、近年急激に使用例が増えてきたNanoporeを用いた2-MIB産生Pseudanabaena属の検出に挑戦したい。金額が安価であることからうまくいけば急激に普及すると考えている。最終年度であるので、本研究課題で新種記載したカビ臭を産生するPseudanabaena分類群や、明らかになってきた従来のカビ臭産生種の判別方法の問題などについての、普及に努めるための活動をしたい。そのための、学会発表や総説の執筆を行う。また、昨年度研究したカビ臭産生遺伝子の分布についての論文と環境DNAについての論文を完成させ投稿するとともに、Nanoporeシークエンサーによる環境DNA解析手法を確立したい。海外調査に関して使用区分を明らかにすることで科研費と他の経費を合算して1回の出張に係る旅費を支出することができたため、経費が節約できたことと、培養に時間がかかり、遺伝子解析が遅れたため、そのための試薬代や謝金が当初計画より少なくなった。年度末に試薬の納期が間に合わなかったものがあったため次世代シーケンス解析に時間が予想以上にかかり、次のランが次年度にずれ込んだため、1回分のランに相当する試薬代が残額として生じました。4月以降にその分を実施予定です。
プロトン駆動力変換機構に関わる細菌ExbB-ExbD-TonBの構造研究

大腸菌の外膜と内膜のエネルギーの伝達を担う内膜プロトンチャネルExbB-ExbD複合体のX線結晶構造解析から、ExbBの6量体のリング状構造を決定した。また、クライオ電子顕微鏡の単粒子解析によりExbB-ExbD複合体は、2つの状態をとることがわかった。1つはExbBの6量体にExbDの3量体が取り囲まれた状態、もう1つはExbBの5量体とExbDの単量体からなる状態であり、5量体の構造はイオン透過活性が低下する低いpHで多く形成され、逆に6量体の構造は、高いpHで多くなることが明らかになった。本研究から、ダイナミックな形態変化によるイオンチャネルの活性制御という新しい現象が明らかになった。大腸菌などのグラム陰性菌では、栄養素やタンパク質毒素コリシンを細胞外から内へ輸送する分子機構を備えている。例えば、鉄、ニッケルなどの生命活動に必須な金属、糖質、ビタミンB12は、外膜にある専用のレセプターを通過し、ペリプラズムを経て細胞質に取り込まれる。これらの外膜レセプターからペリプラズムへの物質の輸送に必要なエネルギーは、細胞内膜のプロトンチャネルExbB-ExbD-TonB複合体を介して、細胞質膜内外に生じるプロトン駆動力(Proton motive force; pmf)により供給される。本研究では、ExbB-ExbD-TonB複合体の構造解析から、内膜プロトンチャネルから外膜レセプターへのpmfの供給機構を解明することを目指している。本年度は、本研究申請時に発現系および精製法が確立していたExbB-ExbD複合体のX線結晶構造解析に向けて精製条件と結晶化条件の最適化を行い、これまでと全く異なる条件の結晶から2.7 Å分解能までのフルデータセット測定をすることができた。また、静電ポテンシャル分布を解析するために同じ結晶を電子線結晶構造解析用に最適化し、2.5Å分解能までの電子線回折の回転写真を効率よく収集することができた。低温電子線単粒子像解析によるExbB-ExbD複合体の構造解析も同時に進めた。結晶化条件とは異なるpH状態で複合体を精製し、電子線直接検出型の高速読み出しカメラで動画撮影によるデータ収集を行い、画像解析を行った結果、約7Å分解能の三次元構造を再構成することができた。これまでExbB-ExbD複合体の大量発現系の構築、精製と結晶化、大型放射光施設SPring-8でのX線回折実験を行ってきた。研究の開始時点までに得られていた結晶では、薄い結晶の層が角度をわずかに変えて積み重なっており、層と平行にX線を照射すると3.2 Å分解能までの回折点を与えるが、それを90°回転した方向からは約8Åまでの回折点しか観測されなかった。また、結晶の再現性も良くなかった。そこで、蛋白質の精製、結晶化の条件を広範に探索し、100μm程度の平板結晶を得ることができた。この結晶からSPring-8のマイクロフォーカスビームラインBL32XUにおいて、2.7Å分解能までのフルデータセット測定することに成功した。また、光学顕微鏡では観察することができない数百nm程度の非常に薄い結晶から電子線回折を測定するため、最適な結晶、結晶の凍結条件の検討を行った。その結果、東京大学分子細胞生物学研究所の電子分光装置を備えた加速電圧300 kVの電子顕微鏡で、2.5Å分解能までの電子線回折の回転写真を効率よく収集できた。低温電子顕微鏡の単粒子解析では、薄い氷中に蛋白質が単分散していることが必要であり、界面活性剤や試料の凍結条件を保有する低温電子顕微鏡システムを探索した。凍結し試料から、大阪大学、オランダライデン大学の共有施設やアメリカのカリフォルニア大学サンフランシスコ校の電子顕微鏡システムを用いて、多数の高品質の画像を取得することができた。現在、高分解能の構造解析を実現するため、電子線直接検出型のカメラで高速撮影したフレーム間の動きを補正しベイズ統計と最尤法を利用した画像解析を進め、初期三次元構造を得ている。以上のように研究の進捗は大きかったといえる。鉄などの生命活動に必須な金属、糖質、ビタミンB12は、外膜にあるレセプターを通過しペリプラズムを経て細胞質に取り込まれる。大腸菌のExbB-ExbD(膜貫通領域のみ)複合体の結晶構造は、2016年に報告され(Celia et al, 2016 Nature)、5量体のExbBと1個のExbDからなる複合体であることが明らかになったが、本研究で今年度ExbB-ExbD複合体結晶の2.8 Å分解能までのフルデータセット測定し、明らかになった構造は、ExbBからなる6量体であり、まったく異なる複合体を構成していた。

これらの結果は、結晶化条件(主にpH)の影響ではないかと考え、高分解能低温電子顕微鏡と電子線直接検出型の高速読み出しカメラで動画撮影によるデータ収集を行い、ExbB-ExbD複合体の低温電子線単粒子像解析による構造解析を同時に進めた結果、pH依存的に5量体のExbBと6量体のExbBが混在することが明らかになった。約7Å分解能の三次元構造は、6量体のExbBの中央に3個のExbDが非対称に結合していた。これらの結果から、ExbB-ExbD複合体の開閉機構は、ExbBが5量体から6量体へスイッチすることで、行われていること、この機構がpH依存的であることが示唆された。これまでExbB-ExbD複合体の大量発現系の構築、精製と結晶化、大型放射光施設SPring-8でのX線回折実験を行ってきたが、結晶に異方性があり、構造解析に至ってはいなかった。そこで、蛋白質の精製、界面活性剤、結晶化の条件を広範に探索し、100μm程度の平板結晶を得ることができた。この結晶からSPring-8のビームラインBL41XUにおいて、2.8Å分解能までのデータ測定し、構造を決定することができた(論文審査中)。さらに低温電子顕微鏡の単粒子解析では、pHの異なる溶液中でのExbB-ExbD複合体の構造解析を進めた。低温電子顕微鏡像は、電子線直接検出型のカメラで高速撮影したフレーム間の動きを補正し、ベイズ統計と最尤法を利用した画像解析を進めた。アメリカのカリフォルニア大学サンフランシスコ校、イギリスDiamond Light Sourceの電子顕微鏡センター、理研横浜研究所の電子顕微鏡システムを用いて、多数の高品質の画像を取得することができた。二次元画像のクラス分けを結果から、5量体ExbBと6量体ExbBの混在が明らかになり、その量比はpHにより異なっていることが明らかになった(論文審査中)。以上のように該当年度の研究進捗は大きかったといえる。大腸菌などのグラム陰性菌は、鉄や栄養素を細胞外から外膜レセプターを介して取り込み、ペリプラズム領域へ輸送するために細胞質膜内外に生じるプロトン駆動力(proton motive force; pmf)を利用する。本研究では、大腸菌の外膜と内膜のエネルギーの伝達を担う内膜プロトンチャネルExbB-ExbD-TonB複合体の構造解析を行い、内膜プロトンチャネルから外膜レセプターへのpmfの供給機構を解明することを目指した。大量に発現、精製したExbB-ExbD複合体の結晶化を進め、X線結晶構造解析により、ExbBの6量体のリング状構造を決定することができた。平行してExbB-ExbD複合体を氷に包埋し、クライオ電子顕微鏡の単粒子像解析を進めた結果、ExbDの3量体がExbBの6量体に取り囲まれた状態で存在していることがわかった。また、単粒子像解析からは、ExbBの5量体とExbDの単量体からなる構造も得られた他、この5量体の構造はイオン透過活性が低下する低いpHで多く形成され、逆に6量体の構造は、活性が上昇する高いpHで多くなることが明らかになった。より生理的な環境に近い脂質膜中でExbB-ExbD複合体の二次元結晶を作製し電子顕微鏡による画像解析を行ったところ、この条件でも5量体と6量体の両者が存在した。さらに水素イオン透過を計測するなど種々の解析を行った結果、この二つの複合体が相互に変換することがわかった。得られた構造を詳細に調べると5量体と6量体の変換は、ExbBの分子間の反発力がpHにより変化し、pHの高いときには分子間の距離が離れた6量体が安定化され、pHが低いときには分子間がより密な5量体が安定化されることが示された。
群論の古典的問題

群論における古典的問題の現代的方法による研究に関して、いくつかの予想と結果が得られた。予想1:Aを有限生成群、Bをその部分群、Gを有限群、μ:B→Gを準同型写像とする。このとき、μのA→Gへの拡張の個数はgcd(|A/A′B|,|C_G(μ(B))|)で割り切れる。ただしA/A′Bが無限群の場合は、|A/A′B|と|G|との最大公約数は|G|とする。この予想は、Aが可換群の場合に証明されている(吉田1993)。A=〈X,Y〉が階数2の自由群で、B=〈X^<-1>Y^<-1>XY〉の場合に正しいことを証明した(投稿中)。この予想は一般には成立しないが、Aがp-群の場合に正しい(投稿中)。Gが巡回群の場合、α=1でAでアーベル群の場合や、特別なMの場合に予想を証明した。Mackey functorとTQFTに関連した他の成果として、モノイダル・カテゴリーからの非テンソル・ファンクターの研究がある。結果は環論の国際シンポジウム(岡山11月)で発表した。
超硬質クロム基電析複合被膜の工業的応用

超硬質クロム基電析複合被膜は、Cr-C合金被膜をマトリックスとし、この被膜の熱処理による硬化特性を利用することで可能である。Cr-C合金被膜は、硫酸クロム(III) -ギ酸カリウム浴から電解析出で作製した。この合金被膜は、電析膜のかたさがHV680前後であるが数%の炭径を含有しているため加熱処理することで著しく硬化を示し、700°Cで加熱処理したものはHV1750と高い値を示した。さらに加熱温度を高めた8001000°Cでは、HV12001300に幾分低下したが高温かたさ特性の優れた被膜である。Cr-C合金被膜をマトリックスに硬質粒子SiC、ダイヤモンド、ZrO_2、Al_2O_3などの複合被膜作製の電解条件、得られた被膜の熱処理による硬化挙動、さらに被膜の耐摩耗性について試験研究を試みた。これら粒子の種類による複合被膜について概要を示すと、粒子の種類で被膜中への含有量に違いが認められた。SiC、ダイヤモンド粒子は、最大含有量が5wt%程度、比較的安定に得られるものは2wt%程度のものであった。ZrO_2粒子は、試験粒子の中で最も含有量が少なかったが、酸化物Al_2O_3は、3040Vol%と高い含有量の複合被膜の作製が可能で、この被膜は電析時のかたさがHT10001200と高い値を示し、従来多く用いられている工業用クロムめっきとほぼ同程度までかたさが改善できる。このように硬質粒子の種類は被膜中への含有量に差異が認められ、この要因として、粒子の電解浴中における表面状態に相違のあることが考えられる。また2wt%SiCおよびダイヤモンドを複合させた被膜は、加熱処理による硬化挙動がマトリックスのCr-C合金と同様であったが、耐摩耗性は熱処理を行うことで工業用クロムより優れ、硬質粒子とマトリックスの硬質化による相乗効果の認められるものであった。硬質クロム基電析複合被膜を作製するため,マトリックスとしてニッケルーリン及びホウ素合金被膜のように,合金元素を過飽和に共析させ,被膜を加熱することで硬化を示すクロムマトリックスをクロムに過飽和に炭素を共析させたクロムー炭素合金被膜に着目し,クロムめっき浴の開発を検討した.その結果硫酸クロム〓-ギ酸カリウムからなるクロムめっき浴からのめっき被膜がクロムー炭素合金めっき被膜を得るために有効であった.このクロムー炭素合金被膜の加熱による硬化挙動の概要を示すと電析時はHv680で軟質であるが,加熱によって硬化し, 700°Cの加熱温度で最も硬化が顕著でHv1750の高い値を示した.さらに加熱温度を高めると被膜のかたさがHv12001300に低下したが高温下での被膜の硬質特性に優れたものであった.本年度は研究実施計画に基づき上述クロムー炭素合金被膜の作製を概存の装置にポテンショスタットを新設することで,電気化学的に浴特性の検討を試み,併せて被膜の加熱処理による構造変化をX線回析によっても検討した結果,被膜の硬質の要因として炭化物の構成によることを明らかにした.更にクロムー炭素合金被膜に硬質物のダイヤモンド, SiC粒子の被合芝析を検討し,電析によってCr-C-SiC及びCr-C-Diamondの

複合皮膜の作製が可能である電解条件を見い出し,その成果について報告した.前年度の実験研究において、クロム基複合被膜の作製が、クロムー炭素合被膜をマトリックスにすることで比較的容易であるとの基礎的知見を得た。そこで本年は、さらに複合被膜の工業的応用へと発展させるため、粒子の種類と被膜中への複合量の相違について検討するためZrO_2、Al_2O_3の硬質酸化物粒子を採用し、これら複合被膜作製条件を検討するとともに得られた複合被膜の機械的性質をも試験した。その結果を要約すると、これら酸化物粒子の複合量は、ZrO_2よりAl_2O_3が有利で、酸化物の種類によって相違が認められるものであった。ZrO_2粒子の複合被膜は、含有量が少なく、昨年度検討したSiC、ダイヤモンド粒子の場合よりも少ない値を示し、電解溶中での粒子表面荷電状態が異なることが考えられた。それに対して、Al_2O_3粒子は多量に含有した被膜の作製が容易で3040vol%を含有させた複合被膜は、電析時の被膜かたさがHV10001200の高い値を示し、従来工業的に用いられている硬質クロムめっきと同程度の値のもので、被膜の硬質化の向上には著しく効果を示した。マトリックスであるCr-C合金被膜は、電析時が工業用クロムに比較して軟質である欠点があるが、硬質粒子を複合させることで硬質化が計れる新しい知見を得、その結果について報告した。
心不全患者における労作時息切れの機序に関する研究

近年心不全患者の喚起亢進の機序の一つとして、血中カリウム濃度の増加が示唆されている。本研究ではこの仮説を立証すべく、心不全患者にカリウム剤の長期投与を行い、静脈血中カリウム濃度と換気量の関係を、主に運動時の変化から検討した。心不全患者13例を対象に、カリウム剤の経口投与前と投与1ヵ月後に、坐位自転車エルゴメーターを用いた6分間の一定量運動負荷試験(最大負荷量の70%)を行った。うちカリウム剤の長期投与で安静時の血中カリウム濃度が10%以上増加した8症例において、データの解析を行った。安静時の血中カリウム濃度は3.58±0.33から4.23±0.29mEq/lまで有意に増加し(p<0.001)、また運動終了時のカリウム濃度も3.83±0.43から4.70±0.36mEq/lまで有意に増加した(p<0.001)。しかしながら安静時の換気量はカリウム剤投与前が12.0±2.6、投与後が12.3±1.8L/minと有意な変化はなく、運動終了時の換気量もカリウム剤投与前が44.5±9.5、投与後が43.5±8.1L/minと変化を認めなかった。安静時および負荷終了時の乳酸値も換気量と同様にカリウム剤投与前後で変化なかった。なお本研究において、長期間のカリウム剤経口投与が人体および心不全に悪影響をもたらした症例は一例もなかった。以上のごとく、安静時および運動負荷中の血中カリウム濃度がカリウム剤投与後に有意に増加したにも関わらず換気量が不変であったことから、心不全において血中カリウムは換気の主要な調節因子ではないことが強く示唆された。近年心不全患者の換気亢進の機序の一つとして、血中カリウム濃度の増加が示唆されている。心不全患者13例を対象に、カリウム剤の経口投与前と投与1ヶ月後に、坐位自転車エルゴメーターを用いた6分間の一定量運動負荷試験を行った。うちカリウム剤の長期投与で安静時の静脈血中カリウム濃度が10%以上増加した8症例において、データの解析を行った。安静時の血中カリウム濃度は3.58±0.33から4.23±0.29mEq/lまで有意(P<0.001)に増加し、また運動終了時のカリウム濃度も3.83±0.43から4.70±0.36mEq/lまで有意(P<0.001)に増加した。安静時及び負荷終了時の乳酸値も換気量と同様にカリウム剤投与前後で変化なかった。

本研究ではこの仮説を立証すべく、心不全患者にカリウム剤の長期投与を行い、静脈血中カリウム濃度と換気量の関係を、主に運動時の変化から検討した。心不全患者13例を対象に、カリウム剤の経口投与前と投与1ヶ月後に、坐位自転車エルゴメーターを用いた6分間の一定量運動負荷試験(最大負荷量の70%)を行った。うちカリウム剤の長期投与で安静時の静脈血中カリウム濃度が10%以上増加した8症例において、データの解析を行った。安静時の血中カリウム濃度は3.58±0.33から4.23±0.29mEq/lまで有意に増加し(p<0.001)、また運動終了時のカリウム濃度も3.83±0.43から4.70±0.36mEq/lまで有意に増加した(p<0.001)。しかしながら安静時の換気量はカリウム剤投与前が12.0±2.6、投与後が12.3±1.8L/minと有意な変化はなく、運動終了時の換気量もカリウム剤投与前が44.5±9.5、投与後が43.5±8.1L/minと変化を認めなかった。安静時および負荷終了時の乳酸値も換気量と同様にカリウム剤投与前後で変化なかった。なお本研究において、長期間のカリウム剤経口投与が人体および心不全に悪影響をもたらした症例は一例もなかった。以上のごとく、安静時および運動負荷中の血中カリウム濃度がカリウム剤投与後に有意に増加したにも関わらず換気量が不変であったことから、心不全において血中カリウムは換気の主要な調節因子ではないことが強く示唆された。
渦の遷移プロセスと渦の発生を予測するトポロジー解析技術の開発

最終年度の研究では、渦発生のトリガーとなるキーフローに着目し、特定の時間・タイミングに発生する渦の予測の解析可否、またキーフローのスケール解析を行った。まず、渦発生後の旋回平面(固有平面)を予測し、この予測旋回平面と関連付けた座標系ー予測旋回平面座標系を定義することができる。更に、この座標系において、渦流れに遷移させる流れ・せん断流れ成分を同定することにより、渦流れを生じさせるキーフロー、即ちガリレイ不変の渦生成流れの方向が同定できる。この予測旋回平面・キーフローの方向とその変化を予測することにより、特定の時点に発生する渦を効果的に同定できる可能性を示した。また、乱流は複数のスケールの流れに分解できるが、キーフローをフーリエ係数を用いてスケール分解することにより、渦を発生させる流れのスケールを特定することができる。本研究における解析では、運動エネルギーが相当小さい流れのスケールがキーフローの生成に寄与していることを確認した。これまで全体の研究を通し、渦予測技術のベースの確立を目標として渦の生成過程のトポロジーの詳細を追跡する解析を行って来た。研究の過程において、旋回平面の予測、また、予測旋回平面に関連付けて渦流れ・旋回流れを生じさせるキーフローの同定が可能となった。ここで、対象とする乱流を異なるレイノルズ数の一様等方性乱流、また非等方性乱流に展開する予定を変更し、低レイノルズ数の一様等方性乱流において更にキーフローを詳細に分析・着目することにより、特定の時点に発生する渦予測の解析の可否、また渦発生において着目すべき流れのスケールを特定する解析が可能であることを示すことができた。また、意外なことに、エネルギーの小さいスケール領域の流れが渦発生に貢献していることが判明した。これらの解析技術と知見は、ローカルトポロジーを応用した渦発生の予測技術のベースとなると考えられる。流れの幾何・トポロジーの解析において、速度勾配テンソルにより得られる局所流れのトポロジーに関する物理量swirlityまたsourcity等の時系列変化を解析するプログラムを開発した。ある対象点周りのトポロジーが渦に変わる、即ち渦流れが生成されるとき、その点におけるswirlityは負の値から正の値へ変化する。この変化を元にして、ある時点において渦流れに変わる点における上記物理量の時系列変化をモニタリングすることが可能になった。更に、速度勾配テンソルの特定の固有値に関する固有平面が旋回平面に遷移することを本解析にて示した。渦流の旋回平面は、速度勾配テンソルの複素固有値に関する複素固有ベクトルの実ベクトルと虚ベクトルにより張られる(定義される)平面である。渦流に遷移する前において、速度勾配テンソルは実固有値を有するが、これらの内の同符号である二つの実固有値に関する固有ベクトルにより張られる平面の法線ベクトル、また渦流に変化したときの旋回平面の法線ベクトルの時系列変化を解析すると、前述した法線ベクトルが旋回平面の法線ベクトルに滑らかに遷移することが示された。これにより、旋回平面を予測し、かつこの平面に関わる座標系を定義することができる様になった。これは、渦流れに変化するときに、旋回平面を基準としてどの方向に関わる流れー即ち速度勾配テンソル成分ーが渦流れのトリガーとなるか、という分析が可能となることを示す。これらの解析を一様等方性減衰乱流に適用し、予測された旋回平面上の特定の方向のせん断流れ(速度勾配テンソル成分)が渦流れのトリガーとなっていることを示した。初年度に予定していた解析プログラムを開発し、一様等方性減衰乱流において渦流れの遷移過程の分析を進めている。渦の生成前状態と時系列変化を同定する渦流解析では、局所流れのトポロジー(Local flow topology)を定める速度勾配テンソルの変化と同テンソルの固有値、固有ベクトル、また種々のトポロジーに関する物理量を評価し、また本研究に関わる理論を検証する数値解析プログラムを開発した。この解析プログラムでは、複数の時間において渦流れの強さを示すswirlityの分布を解析し、特定の時間ステップにおいて渦流れに変わる領域(流動解析における節点)を同定し、その渦領域・点における流れのトポロジー(物理量)の時系列変化ー時間を遡って生成前から渦の発達に至る過程ーを解析する機能も有している。また、流動解析におけるDNS(Direct Numerical Simulation)では、一様等方性減衰乱流において渦流解析に必要な物理量の計算と出力等のプログラム調整を行った。本解析プログラムを一様等方性乱流のDNSに適用し、渦生成前の固有平面と旋回平面の同一性の分析を行い、旋回平面の予測の適性について調べた。ここでは、渦流になる前の速度勾配テンソルの二つの固有値に関する固有ベクトルにより定義される固有平面が、渦流遷移時に旋回平面になることが示された。これにより、渦流時に旋回平面となる面とこの法線による座標系を定義することができ、この座標系における速度勾配テンソルの変化をモニタリングすることにより、旋回平面を基準としてどの方向の成分・流れが渦流に変わるトリガーとなっているか特定することが可能となった。この解析結果によると、旋回平面における特定の方向のせん断流れの方向の変化が、渦流れの遷移に大きく関わっていることが示された。前年度に開発した渦流解析を元に一様等方性乱流における流れ、またこのスケール分解・各階層流れに着目し、それぞれにおける渦発生時のswirlityの特性と渦発生のキーとなる剪断流れを明らかにした。

本渦流解析では、swirlity等のトポロジーの詳細に関する物理量、予測した旋回平面に関わる座標系における速度勾配テンソル成分等の時系列変化を追跡し、昨年度では、渦流れの発生において必要条件となる特定方向の剪断流れが存在することを示したが、今年度では各速度勾配テンソル成分の時間変化とswirlityの変化との相関を分析した。これにより、渦発生のトポロジー変化において、この剪断に関する速度勾配テンソル成分の時間変化(時間に関する偏導関数)が非常に高い相関を有することが示された。同時に、渦軸の方向を定める速度勾配テンソル・渦度成分(予測された旋回平面に平行な渦度成分)の時間変化はswirlityの変化との相関は低く、渦発生時の渦軸の予測も可能であることが示唆された。一様等方性減衰乱流は擬スペクトル法によるDNS(Direct Numerical Simulation)にて解析を行っているが、フーリエ係数に関するバンドパスフィルタを用いて流れを大中小スケールの3つにスケール分解し、各スケールにおいて上記解析を行い、swirlityは流れのスケール分解・階層に依らず渦発生時には特徴のある挙動、即ち渦度等が滑らかに変化する一方でswirlityはsin関数上になる特性を有することを示した。また、渦発生に必要な剪断流れ成分との相関、速度勾配テンソルの特性についても前述したものと同様な性質を有していることが示された。更に、吸込み渦が最も渦が発達しやすく、全周吸込み流れを有する渦は効果的な渦の伸長(vortex stretching)を受けていることを示した。計画していた解析はほぼ予定通り進んでおり、渦のタイプによる渦発生後の発達の相違や渦の伸長(vortex stretching)の影響も加えて分析することができた。一方で、予定していたレイノルズ数を変化させた解析、また予測旋回平面上の周方向速度の対称性の分析を進めることができなかった。これは、研究の進捗に応じ、渦のトリガーとなる剪断流れの検証となる統計的な解析、また渦発生における半径方向流れの分類と影響等について解析を進めたためである。レイノルズ数の影響や周方向速度の対称性は、次章に示す今後の解析計画と併せて行う予定である。最終年度の研究では、渦発生のトリガーとなるキーフローに着目し、特定の時間・タイミングに発生する渦の予測の解析可否、またキーフローのスケール解析を行った。まず、渦発生後の旋回平面(固有平面)を予測し、この予測旋回平面と関連付けた座標系ー予測旋回平面座標系を定義することができる。更に、この座標系において、渦流れに遷移させる流れ・せん断流れ成分を同定することにより、渦流れを生じさせるキーフロー、即ちガリレイ不変の渦生成流れの方向が同定できる。この予測旋回平面・キーフローの方向とその変化を予測することにより、特定の時点に発生する渦を効果的に同定できる可能性を示した。また、乱流は複数のスケールの流れに分解できるが、キーフローをフーリエ係数を用いてスケール分解することにより、渦を発生させる流れのスケールを特定することができる。本研究における解析では、運動エネルギーが相当小さい流れのスケールがキーフローの生成に寄与していることを確認した。