hpprc/llmjp-kaken huggingface dataset:
非線形方程式のロバスト数値解法

平成18年度において,研究代表者は国際誌に3篇の論文を共同で発表してきた.数学分野で行う研究だけでなく、異なった分野との研究交流の重要性を認識し、新しい理論研究成果および数値解法の実際応用を試みた。平成18年度には科学研究費により、数値最適化法とその応用の国際研究集会に参加した0国内外の第一線研究者から最新の研究成果を直接聞くことができた。研究集会および学会などでは、講演を聞くだけでなく、自分の研究成果を発表した。また、研究代表者は研究分担者と共同研究を進めておる。平成18年基盤研究(c)の研究を開始してから、研究代表者が発表した幾つかの成果を以下に簡単に述べる。1.New South Wales大学Robert Womersley準教授とともに球面上でのt-デザイン問題を同値な劣決定連立非線形方程式に書き直し、ある種の球面上でのt-デザインの存在性を数値検証法で証明した。またGuass-Newton法を用いて、その球面上でのt-デザインの近似値を与えた.また、その球面上でのt-デザインが高次元数値積分に有効であることを示した。2.弘前大学大学院博士前期課程学生(平成19年4月に博士課程後期課程に入学予定)木村拓馬氏とともに有限要素曲面回帰法を用いて橋梁管理における諸最適化問題を調べた.また、青森県KITACON会社の橋梁データと日本気象庁のデータを用いて、環境影響により橋梁状況の変化に関する数値実験を行った。3.中南大学Shuhuang Xiang教授とともに線形相補性問題に対して従来の誤差限界を大きく改良した。また、H-行列線形相補性問題に対して簡単に計算できる大域的誤差限界および数値実験結果を与えた.この新しい線形相補性問題の誤差限界が多くの専門研究者に高く評価された。平成16年度において,研究代表者は国際誌に4篇の論文を単独および共同で発表してきた。また個人で行う研究だけでなく,異なった分野との研究交流の重要性を認識し,最適化法とその応用の国際研究集会を組織した。国内外の第一線研究者から最新の研究成果を直接聞くことができた。また,本年度においては科学研究費により,研究集会および学会などに参加し,講演を聞くだけでなく自分の研究成果を発表した。また,研究代表者は研究分担者と共同研究を進めている。平成16年度科学研究費補助金基盤研究(C)の研究を開始してから,研究代表者が発表した幾つかの成果を以下に簡単に述べる。(1)京都大学福島雅夫教授とともに,確率的な最適化問題に対する有効的な数値解法を提案した。2005年3月に北京で開催された「最適化法とその応用」国際研究会において,招待講演を行った。研究代表者は滑らかでない方程式を持つ最適制御問題に対する差分近似数値解法の誤差を研究して、幾つかの重要な性質を見い出した。平成17年度,研究代表者陳小君は国際誌に4篇の論文を単独および共同で発表してきた.また、国内と国際研究会で研究結果を発表してきた。研究代表者が発表した4編の論文における幾つかの成果を以下に簡単に述べる。1.中国中南大学向淑晃教授とともに、P-行列、H-行列線形相補性問題に対して簡単に計算できる誤差限界を与えた。これはよく知られたMathias-Pangの誤差限界を大きく改良した。数値結果によって、この誤差限界が有効であることを示した。2.確率的線形相補性問題に対して本研究分担者京都大学福島雅夫教授とともに相補性問題のNCP関数を用いて、期待残差最小(expected residual minimization)という新しい定式化を提案した。

この定式化は従来の期待値(expected value)を用いた定式化より、ロバスト性が高いことが示された。また、交通均衡問題において、この定式化の応用を考察した。3.研究代表者は滑らかでない方程式を持つ最適制御問題に対する数値解法を研究して、最適条件についての幾つかの重要な性質を見出した。また、有効的な数値解法を提案し、その収束定理を与えた。近似誤差を解析し、具体的な数値例を利用して説明した。4.確率的半無限数理計画問題に対して、本研究分担者京都大学福島雅夫教授、香港理工大学Qi教授とLin博士とともに新しい定式化を提案した。その定式の解の存在性を解析した。また、確率的半無限数理計画問題に対する近似解法を提案し、その収束性を証明した。平成18年度において、研究代表者は国際誌に3篇の論文を共同で発表してきた。数学分野て行う研究だけでなく、異なった分野との研究交流の重要性を認識し、新しい理論研究成果および数値解法の実際応用を試みた。平成18年度には科学研究費補助金により、数値最適化法とその応用の国際研究集会に参加した。国内外の第一線研究者から最新の研究成果を直接聞くことができた。研究集会および学会などでは、講演を聞くだけでなく、自分の研究成果を発表した。また、研究代表者は研究分担者と共同研究を進めている。平成18年度基盤研究(C)の研究を開始してから、研究代表者が発表した幾つかの成果を以下に簡単に述ぺる。1.New South Wales大学Robert Womersley準教授とともに球面上でのt-デザイン問題を同値な劣決定連立非線形方程式に書き直し、ある種の球面上でのt-デザインの存在性を数値検証法て証明した。またGuass-Newton法を用いて、その球面上てのt-デザインの近似値を与えた。また、その球面上でのt-テザインが高次元数値積分に有効であることを示した。2.弘前大学大学院博士前期課程学生(平成19年4月に博士課程後期課程に入学予定)の木村拓馬氏とともに有限要素曲面回帰法を用いて橋梁管理における諸最適化問題を調べた。また、青森県KITACON会社の橋梁データと日本気象庁のデータを用いて、環境影響により橋梁状況の変化に関する数値実験を行った。3.中南大学Shuhuang Xiang教授とともに線形相補性問題に対して従来の誤差限界を大きく改良した。また、H-行列線形相補性問題に対して簡単に計算できる大域的誤差限界および数値実験結果を与えた。この新しい線形相補性問題の誤差限界が多くの専門研究者に高く評価された。
合成ペプチドによる蛋白質立体構造形成過程の研究

連鎖球菌の細胞表面に存在する蛋白質、プロテインGは、宿主体内におけるイムノグロブリンG(IgG)と強く結合する56アミノ酸残基よりなる小さなドメインを持つ。最近、このジスルフィド結合を含まないドメインが水溶液中において、α-ヘリックス構造とβ-シート構造を含むコンパクトかつ特徴的な立体構造を有すること、その構造は熱や酸などに対し非常に高い安定性を示すことなど興味深い事実が相次いで明らかにされた。本年度における研究ではプロテインGB1ドメイン内に局在する立体構造形成能とフォールディング核形成能との関係をフラグメント自身の構造を解析することにより明らかにする研究を行なった。すなわち、本研究の代表者によってすでに明らかにされている強いフォールディング核形成能を持つC末端16残基(C16)に対し、アミノ酸置換アナローグを数種合成し、天然型フラグメントとの熱力学的安定性について核磁気共鳴法による解析を行なった。その結果、C16の立体構造形成能には疎水的相互作用、静電相互作用、水素結合が関与しており、ほぼ全体に及ぶアミノ酸残基がC16構造形成に関与していること、および球状蛋白質に見られるように高度な協同性を示す立体構造形成能を持っていることが明かとなった。さらにC16アナローグを含むフラグメント同志の混合物を核磁気共鳴法により解析し、ドメインの立体構造形成過程について考察した。結果として、形成されたフラグメント相補複合体の熱力学的安定性はC16フラグメントの安定性と強い関連を示す結果が得られた。
細胞分化におけるDNA複製と特異形質発現の統御機構

ラットアルドラーゼB(AldB)遺伝子のプロモーター領域は肝細胞特異的な転写の制御領域としてだけでなく、この遺伝子が不活化している肝ガン細胞では複製開始領域としての機能も持つ。細胞分化におけるこの制御遺伝子領域の機能の変換の意味を探るために、複製開始に必要な制御DNAエレメントの同定とその機能の解析を行った。その結果、(1)複製開始に必要なDNAエレメントと転写制御に必要なエレメントはオーバーラップしており、ldB遺伝子を転写している細胞では複製開始が他の領域から起こる、(2)複製開始に必要なDNAエレメントにはタンパク質因子が細胞周期依存的に結合する、(3)本遺伝子を転写している細胞と転写していない細胞では核マトリックスに結合する領域が異なる、等を明らかにした。これらの結果は、「染色体上の複製開始点の位置的変化が転写領域の分布パターンと密に関連し、この変化が細胞分化に関わっている」という我々のモデルと矛盾しない。今後、これをさらに検証するためには、AldBプロモーター/複製開始領域を中心としたさらに広い範囲の遺伝子領域を解析し、複製開始領域および転写領域がどのように配置しているのか、等を詳しく知る必要がある。一方、細胞間で複製開始領域が異なり、そのことがAldB遺伝子転写のオン-オフと連動することは、本遺伝子領域の核内高次構造(核マトリックスとの結合)の違いに起因するらしいことがわかった。この機構は不明であるが、核マトリックスとの結合が転写制御や複製単位を包括するクロマチン機能ドメインの構築に関与する可能性が考えられた。ラットアルドラーゼB遺伝子のプロモーター領域は肝細胞特異的な転写の制御領域としてのみでなく、この遺伝子が不活性化している肝癌細胞では複製開始領域としての機能も果たしている。細胞分化等におけるこの遺伝子領域の機能変換の意味を探るために、平成9年度は複製開始に必要な制御エレメントの同定とその機能の解析を主として行い、以下の成果を得た。複製開始領域に欠失や変異を導入した複製開始領域をもつプラスミドを培養細胞に導入し、BrdUラベル法により複製効率をみた。その結果、転写開始点上流に隣接する200bp領域が転写、複製開始の両者に必須であることを明らかにした。また、この領域にある5箇所の転写のシスエレメントの各々に変異を導入したプラスミドの解析から、幾つかの転写シスエレメントそのものが複数開始に必要なエレメントとなっていること、肝癌細胞ではそれらのエレメントに細胞周期依存的にある種の制御因子が結合することを明らかにした。さらに、このような制御エレメントの1つに作用する制御因子を同定し、それがATP依存性のDNAヘリカーゼ活性を持つことを明らかにした。従って、200bp領域中のこのエレメントが複製開始に必要なDNA二重鎖の巻き戻しに関与していると考えられた。現在、上記の複製開始エレメントに作用する因子及びその複数開始における機能を詳細に解析しているところである。細胞分化におけるこの制御遺伝子領域の機能の変換の意味を探るために、昨年度は複製開始に必要な制御DNAエレメントの同定とその機能の解析を行ない、複製開始に必要なDNAエレメントと転写制御に必要なエレメントはオーバーラップしていること、複製開始に必要なDNAエレメントにはタンパク質因子が細胞周期依存的に結合すること等を明らかにした。今年度は、上記の複製開始に必要なDNAエレメントに作用する因子や核内構造体について主として解析し、次の成果を得た。(1)AldB遺伝子を転写している細胞では複製開始が他の領域から起こることか判明し、複製開始の制御系が何らかのかたちでAldB遺伝子の転写制御系と連絡していることが示唆された。(2)本遺伝子を転写している細胞と転写していない細胞では核マトリックスに結合する領域が異なることを明らかにした。AldB遺伝子プロモーター領域から複製が開始される細胞では、この領域が核マトリックスと結合していることが判明した。

この結果は、核マトリックスとの結合が転写制御や複製単位を包括するクロマチン機能ドメインの構築に関与する可能性を示唆した。また、上に述べた複製開始に必要なDNAエレメントの1つに結合する因子の精製を行い、それが複数のサブユニットから構成されていることが判明した。現在さらに精製中である。
空間分解メタボロミクスによる植物代謝動態可視化

新たに開発した質量分析イメージングにおけるサンプル調製法の最適化技術を用いて、トマト果実内における代謝動態の可視化に成功した。特に、傷害を与えた果実の傷害部位に特異的にトマチンが蓄積し、傷害部位における更なる外敵の侵入を防ぐ機構が存在することを明らかとした。現在シロイヌナズナ葉のサンプル調製法を開発しており、葉内部組織におけるグルコシノレート等の防御物質の代謝動態解析に取り組んでいる。本研究では、申請者がこれまでに開発してきたマトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)法を基盤とした質量分析イメージング技術を先鋭化することで、これまで未知であった植物個体内微少領域における代謝動態の二次元可視化を試み、植物代謝研究における新たな基盤技術の創生と生理・形態学的情報を与える新たなオミクス解析ツールの提供を目指している。本年度は、既に保有するMALDI用マトリックス候補化合物(既知マトリックス:20種、新規合成マトリックス:70種)および本申請にて購入する既知マトリックス誘導体(80種)を用い、植物に含まれる代表的な二次代謝産物(ポリフェノール類・フラボノイド類・カロテノイド類・植物ホルモンなど)約50種類に対する総当たりスクリーニングを行い、植物組織から直接低質量分子を検出するための、十分な感度(pmolオーダー)を達成できるマトリックスの探索を行った。その結果、1,5-diaminonaphthalene (1,5-DAN)が最も優れたマトリックスであることが判明した。また、一次代謝物の検出には、これまでの検討通り9-aminoacridine (9-AA)が適していることも見出した。さらに、9-AAを用いて質量分析イメージングに適したマトリックス塗付法についても、その最適条件を見出すに至っている。既に最適マトリックスの選定は終了し、サンプル調製法の最適化まで実施できた。また、平成28年度実施予定であったトマト果実を用いた、傷害ストレスを与えたトマト果実における代謝応答の空間的変動を捉える実験にも着手し、特異的な代謝応答の発見にも成功している。さらに、モデル植物であるシロイヌナズナを用いた実験にも既に着手している。本研究では、申請者がこれまでに開発してきたマトリックス支援レーザー脱離イオン化(MALDI)法を基盤とした質量分析イメージング技術を先鋭化することで、これまで未知であった植物個体内微少領域における代謝動態の二次元可視化を試み、植物代謝研究における新たな基盤技術の創生と生理・形態学的情報を与える新たなオミクス解析ツールの提供を目指す。本研究では傷害ストレスを与えたトマト果実における代謝応答の空間的変動を捉える事を目的とした。果実は傷害を受けると通常の成熟速度よりも急速に成熟が促進されることが知られており、様々な二次代謝産物(エチレン、ジャスモン酸など)の関与が報告されている一方、果実内のどこでどのような代謝応答が起こっているかはほとんど分かっていない。そこでトマト果実内の局所的な代謝動態を詳細に理解するために質量分析イメージング技術を用いて代謝物分布の可視化を試みた。熟度の異なる果実の代謝物分布比較を行ったところ、成熟過程で有機酸(リンゴ酸)の見かけの濃度が減少し、旨味成分(グルタミン酸、AMP)の見かけの濃度が増加していた。さらに、本研究により抗菌成分であるトマチンが傷害部周辺に特異的に蓄積することが明らかとなった。以上の結果からMSI分析は果実の局所的な生理現象を理解するために有用な技術であることが示され、今後、未解明な植物生理現象を理解することに貢献すると考えられる。現在既にシロイヌナズナの葉を用いた応用研究を進めており、分析技術としての基盤整備も順調に進んでいる。いくつかの研究項目については当初の計画より大幅に進んでいるが、未知代謝物同定に用いる予定であった超高分解能質量分析装置の故障により、この項目だけは当初の予定より遅れている。質量分析イメージングを再現性良く高感度に行うためには、マトリックス塗布法の最適化が重要となる。これまで一般的に用いられているスプレーコーティング法は高感度な分析が可能である一方、試料表面にマトリックスの大きな結晶が形成されるために空間分解能の低下が起こる。また、真空下でマトリックスを昇華させて試料表面に蒸着させる蒸着法では、極めて均一なマトリックス層を形成するため高分解能イメージングが可能である一方、有機溶媒を用いないために試料から分析対象物質の抽出が起こらず極めて低感度である。我々は蒸着法にて作成した試料に極穏和な条件で溶媒蒸気を供給することで、高感度かつ再現性の高いマトリックス塗布法の開発に成功した。本手法で作成した試料表面は電子顕微鏡で観察しても蒸着法で作成した試料と比較して変化は見られないため、高分解能イメージングも可能であることが明らかとなった。また、スプレーコーティング法よりも高感度な測定が可能であることも明らかとなった。

特に、傷害を与えた果実の傷害部位に特異的にトマチンが蓄積し、傷害部位における更なる外敵の侵入を防ぐ機構が存在することを明らかとした。現在シロイヌナズナ葉のサンプル調製法を開発しており、葉内部組織におけるグルコシノレート等の防御物質の代謝動態解析に取り組んでいる。当初の計画以上に進展しており、当初の予定通り着実に研究を進める。また、本研究で確立した手法をモデル植物であるシロイヌナズナに適用し、植物代謝研究における新たな基盤技術の創生と生理・形態学的情報を与える新たなオミクス解析ツールの提供を目指す。未知代謝物同定については共同研究者の協力により順調に進める目処が付いている。今後は本研究の成果をモデル植物であるシロイヌナズナなどの代謝解析に応用し、植物生理学的基礎研究を初め作物の品種改良など幅広い応用研究に極めて重要な革新的代謝解析技術の整備を進めていく。質量分析、メタボロミクス当初予定していた機器の使用について、複数箇所の故障により実験が不可能になり、また予想外に修理に時間を要し期間内に満足に実験結果を得ることが出来なかったため、研究機関後期には共同研究者の保有する機器を使用して実験を継続したが、当初の予定通りに実験が進まなかった。得られた成果の外部発表および消耗品の購入などに使用する。
物質の変化にかかわる学習者の理解の実態とその発達的変容

子どもたちは,原子・分子の概念を様々な自然現象に適用するのに先立ち,当該の現象を分節化して捉えることが必要になる。直面する現象をいかなる種類の現象として捉えるのかに応じて,その後の原子・分子の概念に基づく現象説明のあり方も大いに異なることになる。そこで本研究では,はじめに,小学校理科で取り上げられる物理・化学変化の中から三態変化をはじめとする15種類の変化を取り上げ,これら変化の相互関係を小学校2年生,4年生,6年生の児童が自発的にどの程度まで構想可能であるかを個別面接方式で明らかにした。その結果,小学校低学年から高学年にかけて,関係を構想する際の注目点が,変化に関与する個々の物質の外見的特性から変化そのものへと変わることが明らかにされた。また,上述の一般的な傾向に加えて,小学校段階における個々の変化についての学習が,それら変化相互の適切な位置付けを自発的に誘導しないことも明らかにされた。次に,上述の調査結果を踏まえ,小学校段階の理科学習のすべてを終了している中学1年生を対象とし,班を単位とした学習共同体を組織し,班内討議やクラス討議を経由しながらどの程度まで変化相互の関係付けを適切に行えるのかを理科授業の中で明らかにするように試みた。その結果,授業の中に共同的な議論の場を組織しても,個々の変化にかかわる学習成果のみを利用する限りにおいては,変化相互の適切な関係付けが不可能であることが明らかにされた。最後に,上述の授業形式による調査結果を踏まえ,小学校6年生を対象として,理科授業の中で物理変化と化学変化を区別させるための観点を「日常的な例え」として与え,その観点に基づく変化相互の関係付けを試みさせた。その結果,物理変化と化学変化の峻別については改善が見られたが,もともと適切な関係付けが可能であった諸変化についての新たな混乱が引き起こされることが明らかにされた。これらの本研究の結果を見る限りにおいては,理科授業で取り上げる個々の変化にかかわる適切な理解は,モデルとしての原子・分子の概念が明確に導入されない限り,きわめて困難であることが明らかにされた。本年度は、はじめに,内外で行われてきている粒子概念の理解にかかわる調査研究の成果をまとめた。その際,日本における調査研究については,論文で把握できない調査状況の詳細についての情報収集を行った。次に,子ども達が日常的に遭遇しうるいくつかの典型的な現象と,理科授業の中で標準的に取り上げられる現象とを整理し,調査で取り上げる15種類の現象を選定した(本研究では,小学校入学前の子どもたちが調査対象に含まれることになるため,現象の選定においては,蒸発,結露,沸騰などの三態変化にかかわるものや,燃焼,腐食などの化学変化にかかわるものの中から,低年齢の子どもたちにも馴染みがあるものになるよう留意した)。そして,これら15種類の現象について,次年度の本調査の際に使用するための写真画像(物質の変化前と変化後を示す2枚一組の写真)を作成・準備した。最後に,15種類の現象にかかわる調査の具体的な内容と方法を決定するため,5名の大学生を対象とした予備的調査を行い,その結果に基づき,次年度に実施する個別面接調査の内容と方法を決定した。具体的には,はじめに,個々の現象が既知であるか否か,既知であるならばどこで目にしたかについて問う。そして,現象相互の共通性に注目させながら,15種類の現象を任意の数のグループに分類させ,それぞれのグループにグループ名を付加させるとともに,グループを構成する現象の共通性を言語的に説明させ,変化を分節化する際にいかなる視点が利用されるのかを明らかにする。

これらの本研究の結果を見る限りにおいては,理科授業で取り上げる個々の変化にかかわる適切な理解は,モデルとしての原子・分子の概念が明確に導入されない限り,きわめて困難であることが明らかにされた。
糖尿病代謝指標としての血中アンヒドログルシトールの意義

ブドウ糖近似の構造式をもつ1.5-アンヒドログルシトール(AG)は、ヒト血中で最も濃度の高いポリオールの一つである。近年我々は糖尿病で血中AGが激減していることを見い出したが、主に測定上の困難さより、AGの臨床的意義の解明は遅れていた。今回我々は実験動物や培養細胞におけるAGa体内動態や代謝を検討し、糖尿病状態での血中AG減少の原因を探ることに成功した。更にAGa測定法にも改良を加え、より迅速かつ正確な方法により、多量の臨床検体の測定を可能とした。これにより、AGa臨床応用化に際しての重要な基礎データを集積し得た。ラットを用いた実験で、血中AG濃度の減少率は尿糖誘発物質の種類のいかんを問わず尿糖総量と高度の相関をもつことが示された。またラットに放射能標識したAGを注入し、その動態や分布を調べた実験により、AGは体の全組織中にほゞ均一に分布しうること、および体内動態は極めて緩慢なものであることが判明した。更にヒト各種細胞系におけるAGのとり込みの観察より、AGの代謝自体も極めて緩慢なことが示唆された。一方腎尿細管細胞ではグルコースによるAGとり込みの著明な阻害が認められた。以上より少なくともにマクロ的には血中AGの減少は尿糖排泄に伴う腎からのAG再吸収の阻害で説明し得ることが判明した。一方多数の臨床検体の測定結果より、AGは糖尿病で特異的に減少していることが確認された。肝障害や腎障害等の影響もほとんどなく、痛風や内分泌疾患より低値を示す傾向が認められたが統計学的には有意差はなかった。また肥満度の影響も認められなかった。AG変動のAG変動の機序が判明するに従い、今後糖尿病治療面で大きな意義をもつことが期待される。ブドウ糖近似の構造式をもつ, 1.5-アンヒドログルシトール(AG)は,血中で最も濃度の高いポリオールである.我々は糖尿病患者で血中AGが滅少または消失していることを見い出した.本年度我々は実験動物や培養細胞におけるAGの体内動態や代謝状態を検討し,糖尿病状態での血中AGの低下の原因を探るとともに,多くの臨床症例の検討により,その臨床的な意義づけを試みた.ラットを用いた実験で,血中AG濃度はSTZやアロキサン等の催糖尿病薬のみならず,ワロリジンのような尿糖のみを増加させる物質によっても滅少した.血中AG濃度の滅少率は尿糖誘発物質の種類のいかんを問わず,尿糖総量と高度の相関を示した.血中AG濃度と尿糖量との逆相関はKKマウスによっても確認され,生後45ヶ月以後,尿糖が増大するに従って血中AG濃度は滅少を示し,尿糖量がピークに達する生後6ヶ月頃にはAG濃度も底を打ち,以後自然に尿糖が滅少していくに従ってAG値もしだいに上昇していくことが判明した.一方,ラットに放射能標識したAGを注入し,その動態を調べた実験では, AGは体の全組織中にほぼ均一に分布しうることが判明した.しかし脂肪細胞を含む各種細胞系でのAGの取込み実験の結果から見て, AGの代謝自体は極めて緩慢なものであることが予想され,その血中濃度に関しては腎よりのAGの排泄が決定的な意味あいを持っていることが示唆された.各種疾病患者および正常人での検討より, AGは糖尿病患者で特異的に滅少していることが確認された.正常人の年令別では20才代の男性(29.2±8.4μg/ml)で有意に高値であったが,一般に加令の影響は誤差範囲内であった.

女性では各年代とも男性より低値を示す傾向が認められたが統計学的には有意差はなかった.また正常人においても糖尿病患者に関しても,肥満者では低下傾向が認められたが,統計学的な有意差は認められなかった.前年度に引き続き、実験動物や培養細胞におけるAGの動態ならびに代謝を検討した。また本年度はAGの測定法にも更に改良を加え、より迅速で正確な方法により、多数の臨床サンプルの測定を可能とした。これにより、AGの臨床応用に際しての貴重な基礎データを集積し得た。ラットを用いた実験より、血中AG濃度の減少率(%)が尿糖排泄総量と高度の相関を有しており、AGの減少が尿糖排泄により、一元的に説明し得ことを証明した。一方ラットにAGを注入した後の動態の観察により、AGの体内動態が極めて緩慢なことを確認した。また、ヒト由来の各種血球系細胞、肝細胞、線維芽細胞および脂肪細胞よりの結果よりAGはグルコースの数千分の1から1万分の1の代謝速度しかないことが判明した。またラットの腎尿細管細胞をとり出し、放射線標識AGのトランスポートを観察したところ、グルコースによりそのとり込みが大きく阻害されることが認められた。以上のことより、少くとも臨床的、マクロ的には、血中AGの減少は尿糖排泄に伴う腎からのAG再吸収の阻害で説明し得ることを確認した。多数の臨床検体の測定結果より、AGは一部の悪性新生物疾患において低値例が認められる他は、肝障害、腎障害等の影響もほとんどなく、また痛風や内分泌疾患においても変化は認められなかった。悪性新生物の症例では厳密な耐糖能検査が必ずしも施行されていないため耐糖能障害の併存例が混入している可能性も強い。血漿AG濃度と空腹時血糖値との相関度はr=-0.814、75gGTT2時間値との相関度はr=-0.836であった。また測定時点のHbA_1との相関度はr=-0.615、12ケ月後のHbA_1とはr=-0.753であった。また糖尿病状態の改善に伴って、血漿AG値は1日当たり平均0.3μg/mlの極めて一定な割合で直線的に回復することが示された。
IoTとエージェントベースシミュレーションによる複雑系動学マクロ経済モデルの探究

本研究課題では、日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルの設計、構築に取り組んでいる。Eurace@unibiモデルのように、これまでに行った他国のエージェントベースシミュレーションによるマクロ経済研究の調査では、やはり各国の直面している経済課題は国により様々であり、分析、解決すべきことが国により異なる。複雑な事象を1つの汎用モデルで表現するのは困難であり、日本経済を念頭に、我々でモデルを一から構築することにした。それを受けて、2018年度は、少子高齢化といった日本経済の今日の課題の解決につながるように、我々独自のモデルの設計、構築とシミュレーションに取り組んでいる。ベースモデルでは長期の分析を念頭に、現在の日本の人口、性別、年齢構成に従って、資産、所得が異なる家計(個人)を、個人の程度によるがやや将来を見据えた消費、貯蓄行動を行うように、多様な家計(個人)と、いくつかの家計の行動ルールををモデル内に実装した。それ以外には、モデルは企業、政府部門から構成されるものとした。デフレーションの克服は日本経済の大きな課題であるが、モデルの可視化を高めるために、まずは実物面のモデル化を先行させ試みた。少子化対策の分析のため、モデル内のエージェントに親子関係を導入するなど設計を修正したため、設計、構築、シミュレーションを繰り返すことになり、2018年度実績では、当初計画より研究成果の発表、投稿が遅れているが、研究を進めている。2018年度内に、独自のベースモデルを開発し、シミュレーション結果を学会で発表し、ジャーナルに投稿する予定であったが、年度内にモデルの開発が完了しなかったため、発表、投稿まで至っておらず、進捗状況は遅れている。2019年度前半に、予定していたエージェントベース・マクロ経済モデルのベースモデルの構築、シミュレーション結果の分析を終えて、その成果をまとめ、国際学会報告、論文投稿を行う。現時点では遅れてはいるが、方向としては研究計画に従って進めていく。現実の経済は複雑である。多様な多数の異質な経済主体が存在し、不完全な見通しや不完全な情報の中で、それぞれが複雑な相互関係を持ち影響しあいながら経済活動を行い、経済社会を構成している。このような複雑な経済系をモデル化、シミュレーションするための手法として、エージェントベース・アプローチがある。本研究の目的は、日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルの設計、構築に挑戦し、新たな研究手法を開発することである。消費者市場、労働市場などのエージェントベース・モデルが蓄積されていたこと、コンピュータの計算量の制約が薄れたこと等により、現在、エージェントベース・モデルを用いたマクロ経済モデルの構築に各国の研究チームが競って取り組んでいる。2017年度は、各国の主要な研究グループのモデルのサーベイ、比較分析を行った。エージェントベース・マクロ経済モデルに対しては、(a)アドホックと思えるエージェントの行動ルールの設定・選択、(b)エージェントのパラメータのカリブレーションに対する問題、(c)モデルが複雑すぎて不透明/理解が難しい、といった問題があり、どの研究グループも苦労していることを確認した。また、2017年度は、日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルのベースとなるモデルの設計に取り組んだ。他の研究者によるモデルの透明性/信頼性を高めるため、ベースモデルは、エージェントベース・モデルとしては非常にシンプルなものを目指しているが、解決すべきいくつかの課題があり、2017年度では発表するまでには至っていない。各国の主要な研究グループのモデルのサーベイは完了したが、2017年度内を目指していた、日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルのベースとなるモデルの設計が終わらなかった。設計段階でいくつかの困難はあり、2018年度は研究代表者、分担者間の連携をより密にし、遂行する。前年度に引き続き、日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルのベースとなるモデルの設計を行い、その成果をまとめ学会報告、論文投稿を行う。遅れてはいるが、方向としては計画に従って進めていく。

現時点では遅れてはいるが、方向としては研究計画に従って進めていく。2017年度内を目指していた日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルのベースとなるモデルの設計が終わらなかったため、国際学会での報告、論文投稿のための予定した予算の執行が2017年度内にできなかった。そのため次年度使用額が生じることになった。2018年度は、年度前半にモデルの設計を終わらせ、計画当初に予定していた国際学会での報告、論文投稿を積極的に行うことを計画している。独自に開発することにした、日本経済のエージェントベース・マクロ経済モデルのベースとなるモデルの構築、シミュレーション結果の分析が終わっていないため、論文投稿に必要となる英文校正の費用、ジャーナル掲載料、国際学会での報告のための旅費、に予定していた予算の執行が2018年度内にできなかった。2019年度は、年度前半に研究成果をまとめ、国際学会での報告、論文投稿を積極的に行うことを計画している。
新規前処理法による低品位バイオエタノール水蒸気改質反応における炭素析出の抑制

バイオエタノール水蒸気改質(ESR)反応における課題は低S/C条件下での炭素析出による触媒失活の抑制である.その問題を解決するためには活性サイトの状態と改質反応機構との関係を明らかにすることにより炭素化を抑制する方法を開発する必要がある.本年度も昨年度に引き続き,Pt/CeO2およびCo/CeO2系触媒についてバイオエタノール由来の成分が炭素化に及ぼす直接的および間接的影響を検討した.また高い空間速度での反応試験を可能とする反応装置を作成し,それによる触媒特性試験も行った.さらに,今年度は本反応の初期過程である脱水素反応やメタンの分解についても検討し,不純物の影響や炭素堆積との関係を考察した.バイオエタノール中の成分の影響を明らかにするため,反応前にバイオエタノールを触媒に浸漬した.バイオエタノールを浸漬した触媒は特定の条件下で前処理しない触媒より好成績をあげたが,これは活性点の反応特性が改質されたことに加えてCo活性サイト数が増加することによることがわかった.すなわちこれらの作用によってコーキングの抑制あるいは反応経路の変化が生じたと判断した.Co担持量を増やすと純エタノールの反応ではH2生成活性の安定性が増すが,バイオエタノールの反応では担持量によらず強い毒効果が現れた.これより担持量の増加で増えるタイプの活性サイトは,反応中に不純物による被毒を受けやすく,活性向上や安定化に寄与しないことが示唆された.コーキングと反応初段階の反応特性について知見を得るため,バイオエタノールの気相脱水素反応を行った.Au/MFIゼオライト触媒では水過剰下でも炭素生成の前駆体であるエチレン生成が抑制できなかった.このことはバイオエタノールの炭素化抑制効果が担体に依存することを示し,添加物と担体の最適な組み合わせが炭素析出の抑制に重要であることがわかった.Co/CeO2触媒によるエタノール水蒸気改質反応における問題点として,低S/C条件下での炭素析出がある.炭素析出を効率的に抑制するためには,活性サイトの状態と改質反応機構との関係を明らかにしていく必要がある.本年度は,Co/CeO2触媒における炭素堆積抑制のための基本情報を取得するため,Co/CeO2触媒に種々の金属を添加した触媒を調製し,773K,S/C = 4.5の条件でエタノール水蒸気改質反応を行った.純エタノール改質におけるH2生成率は,AgおよびZn添加触媒を除いていずれもベース触媒を下回った.とくにAuやW添加触媒の活性が低かった.AgおよびZn添加触媒はベース触媒より高い水素生成活性を示したが,含炭素生成物分布の違いから,H2生成向上の機構が異なっていると考えられる.すなわち,Zn添加触媒では,ガス化反応全体の促進がH2生成率の向上の原因だが,Ag添加触媒ではCH4生成の抑制とCO2選択性の向上がその主な要因となっていると言える.バイオエタノールを反応物とした場合には,いずれの触媒とも反応開始直後からH2生成活性の経時的低下が認められた.MoやW添加触媒でもH2生成活性は大幅に低下し,活性がベース触媒を上回ったのはZn添加触媒のみであった.Ag,W,MoおよびAuで修飾した触媒では,反応中の炭素析出が抑制された.堆積した炭素種は現在調査中であるが,金属の添加がCo活性サイトを物理的あるいは化学的に改質したことにより炭素析出機構が変化した可能性を示している.バイオエタノールを反応物とすると炭素析出が抑制された.炭素析出抑制機構は明確でないが,バイオエタノール中の不純物の影響と考えられる.金属添加による炭素堆積抑制はバイオエタノールを反応物とした際にも認められたことから,炭素析出抑制効果が相加的であることが示された.全体として当初計画に対する達成度はやや遅れている状況である.種々の金属を添加した触媒の反応特性と炭素析出特性の検討は一通り完了したが,その触媒化学的検討がやや難航している.たとえば,堆積炭素種の詳細は,熱重量分析による総量分析は実施できたが,機器分析を必要とするそれらの科学的分析に関しては十分に実施できなかった.また,金属元素の添加効果についても反応論的な考察はある程度進展しているが,電子論的な考察には至っていない.これは,予定していた大型分析機器(XPS,XRD)の利用が故障や相手先大学の都合により比較的長期間利用できなかったことに加えて,触媒調製の方法論を十分に最適化できなかったためである.現在は触媒調製のレシピを再検討し,統一的な調製だけでなく,添加金属の特性に合わせた調製法の確立を進めている.バイオエタノール水蒸気改質(ESR)反応における問題点は低S/C条件下での炭素析出による触媒失活である.炭素析出を効率的に抑制するためには,活性サイトの状態と改質反応機構との関係を明らかにすることに加え,バイオエタノール中の不純物が直接あるいは間接的に炭素堆積に及ぼす影響を明らかにする必要がある.本年度は,Pt/CeO2およびCo/CeO2系触媒を用い,バイオエタノール由来の成分がESR反応に及ぼす直接的および間接的影響を検討し,炭素堆積との関係について考察した.上記の目的を達成するため,本年度は通常の反応試験に加えて,一定時間EtOHを反応物として供給(stage-1)した後,BioETに切り替え(stage2),一定時間後再びEtOHに変換する(stage-3)反応試験を行った.どちらの触媒ともstage-2で触媒活性が低下する.Co系触媒はこの段階での活性低下がより顕著であるが,stage-3でH2生成活性の部分的な回復が確認された.

このことから,Co系触媒ではPt系触媒と異なりバイオエタノール中の不純物が,活性点に直接的に毒作用を示すだけでなく,反応物として炭素生成を含めた反応ネットワークに大きな影響を及ぼすことが示された.反応前の触媒にバイオエタノールの原液を浸漬後,不純物を有しないEtOHの反応を行った.Coを10wt%担持したCo(10)/CeO2触媒について,H2生成率に対するバイオエタノール処理の影響を検討すると,バイオエタノールの浸漬は必ずしもネガティブな効果を示さず,773 Kではむしろ活性を高めることがわかった.詳細は検討中だが,たとえばバイオエタノール中の不純物が活性点を変質させ,コーキングを抑制することにより反応活性を向上させた可能性が示唆された.全体として反応試験などの触媒特性の解析に関しては予定通りに進行しているが,触媒活性点の分子論的解析に関してはやや遅れている状況である.様々なタイミングで不純物を添加する触媒反応試験は,予備的調査をほぼ終了し,Co/CeO2系触媒およびPt/CeO2触媒のエタノール改質反応に対する不純物の直接的および間接的効果に関する情報を取得することができた.また,バイオエタノールによる前処理がH2生成活性を高める効果があることが明らかになった.これらの反応後触媒について,本学所有の分析機器によって,炭素堆積の解析,結晶構造の解析などを行い,おおむね順調に検討・考察が進んでいる.ただし,不純物が活性点に及ぼす電子論影響の解析およびそれらと炭素堆積との関係については解明過程の途上にある.これは,一連の反応試験が年度末までずれ込んだこと、および触媒量の不足などから他大学所有の大型機器(XPSなど)による分析ができなかったことに要因がある.バイオエタノール水蒸気改質(ESR)反応における課題は低S/C条件下での炭素析出による触媒失活の抑制である.その問題を解決するためには活性サイトの状態と改質反応機構との関係を明らかにすることにより炭素化を抑制する方法を開発する必要がある.本年度も昨年度に引き続き,Pt/CeO2およびCo/CeO2系触媒についてバイオエタノール由来の成分が炭素化に及ぼす直接的および間接的影響を検討した.また高い空間速度での反応試験を可能とする反応装置を作成し,それによる触媒特性試験も行った.さらに,今年度は本反応の初期過程である脱水素反応やメタンの分解についても検討し,不純物の影響や炭素堆積との関係を考察した.バイオエタノール中の成分の影響を明らかにするため,反応前にバイオエタノールを触媒に浸漬した.バイオエタノールを浸漬した触媒は特定の条件下で前処理しない触媒より好成績をあげたが,これは活性点の反応特性が改質されたことに加えてCo活性サイト数が増加することによることがわかった.すなわちこれらの作用によってコーキングの抑制あるいは反応経路の変化が生じたと判断した.Co担持量を増やすと純エタノールの反応ではH2生成活性の安定性が増すが,バイオエタノールの反応では担持量によらず強い毒効果が現れた.これより担持量の増加で増えるタイプの活性サイトは,反応中に不純物による被毒を受けやすく,活性向上や安定化に寄与しないことが示唆された.コーキングと反応初段階の反応特性について知見を得るため,バイオエタノールの気相脱水素反応を行った.Au/MFIゼオライト触媒では水過剰下でも炭素生成の前駆体であるエチレン生成が抑制できなかった.このことはバイオエタノールの炭素化
パーリ註釈文献と北伝資料の比較分析による部派仏典の伝承史的研究

本研究は、初期仏教から部派仏教の過程で成阿羅漢/成仏の伝承がどのように展開し、そして、その変化がどのように大乗仏教へ影響したのかを明らかにした。仏教の部派において、修行論を示す論書(Saundaranandaなど)は修行者が阿羅漢に成る直前に四諦を観察することを示すのに対し、仏伝(Buddhacaritaなど)は菩薩が仏陀に成る前に縁起を観察すると説く。この傾向は遅くとも二世紀に少なくとも北インドに存在し、遅くとも五世紀初頭にはスリランカに達した。そして、南アジアの多くの地域に広まり、少なくとも七世紀まで継続した。三乗説にかんして、『法華経』などの大乗仏典は、四諦の認識を声聞の認識として位置づけ、縁起の認識を独(縁)覚の認識として位置づける。この新たな傾向は三世紀頃に始まったから、おそらく大乗仏典は修行論を示す論書と仏伝の傾向を批判していたと考えられる。本研究は、五世紀にスリランカで編纂されたパーリ註釈文献と五世紀以前にインドで成立した北伝部派資料(サンスクリット写本、漢訳資料、チベット訳資料)を比較研究することによって、「伝承史」という視点から五世紀以前の部派仏教を描き直すことを目的としている。今年度の研究成果をまとめると以下のようになる。第一に、初期仏典において解脱(成阿羅漢・成仏)に関する伝承は四禅三明説など複数存在していた。第二に、部派文献においては修行論を説く作品で修行者が四諦を認識して阿羅漢に成る過程が説かれ、仏伝作品で菩薩が縁起を認識して仏陀と成る過程が説かれる傾向は、諸部派の成立後、遅くとも二世紀に、少なくとも北インドで存在し、遅くとも五世紀初頭にはスリランカに及んだ。この傾向は、部派を越えてインド各地へ広まり、おそらく七世紀までインドで継続していたと考えられる。第三に、『法華経』等の大乗仏典は、三乗説において、四諦を声聞の認識(声聞乗)として捉え、縁起を独覚の認識(独覚乗)として捉えた。この種の三乗説は、三世紀にはじめて確認できるため、大乗仏典は三乗説の中に部派文献における仏陀の智慧と菩薩の智慧を批判的に組み込んだと考えられる。東アジアでは特に羅什訳の『法華経』と『大智度論』を通して声聞と独覚の意味を決定づけることとなった。以上の成果によって、部派文献における智慧に関する伝承の分析に基づき、初期仏典から大乗仏典への思想的展開の一側面を明らかにした。本研究は、昨年度に引き続き、「伝承史」という視点から部派文献を分析する作業を行った。とくに、スリランカの上座部(大寺派)で編纂された文献に説かれる「非仏説」の記述に焦点を当て、それに関連する北伝資料を調査することによって、密教経典として有名な『金剛頂経』が中世スリランカに存在していたことを明らかにした。その論拠は以下の三つにまとめられる。第一に、五世紀のパーリ註釈文献(『律註』『相応部註』)と十三、四世紀のパーリ文献(『核心綱要』『部派綱要』)には「非仏説(abuddhavacana)」とされる文献が挙げられており、後者は明らかに前者のリストを継承しているが、同時に前者に存在しない文献も多々挙げられる。その多くは密教文献に確定できるが、その一つに『タットヴァ・サングラハ』がある。これは、漢訳『金剛頂一切如来真実摂大乗現証大教王経』、通称の『金剛頂経』の原題である。第二に、七七四年、不空の没後間もなく建てられた「大広智三蔵和上之碑」によれば、開元二九(741)年、不空は弟子たちを伴ってスリランカへ渡り、普賢阿〓梨の下で学び、『金剛頂経』と『大日経』を授かって天宝六(747)年に帰国したという。第三に、スリランカから来たヴァジュラヴァルマンが『金剛頂経』の釈タントラの一つである『一切悪趣清浄タントラ』に対して著した注釈書がチベット訳で残っている。以上のように、パーリ文献、漢訳資料、チベット資料のいずれもがスリランカと『金剛頂経』を結びつけており、本経はスリランカに存在したと考えられる。
X線結晶解析と分子グラフィックスによる膜複合体電子伝達反応の分子機構

紅色細菌の光合成膜系では,ATP合成の駆動力となるプロトン濃度匂配は,3つのタンパク質(反応中心複合体,チトクロムbc_1複合体およびチトクロムc_2)の間の電子伝達による共役系によって生み出される。紅色細菌Rhodopse1domonas viridisでは,その反応中心複合体で立体構造が高分解能で解明されている。本研究では,この同じ紅色細菌からとられたチトクロムc_2と反応中心複合体との間の電子伝達反応の分子機構を,分子グラフィックスの手法を用いて解明した。1.これまでX線結晶解析を行ってきたチトクロムc_2結晶の回折強度を,イメージングプレート回折計によって再び集積した。これによって,高分解能での回折データを得ることが可能になった。2.分子置換法で解かれたこのチトクロムc_2の分子モデルを,分子動力学的精密化法(simulated annealing法)と立体化学的束縛下での結晶学的精密化法によって行い,最終分子モデルを完成した。3.得られた立体構造に基づいて,このチトクロムc_2が電子を与えることによって光酸化状態を還元する反応中心複合体への電子伝達機構を,コンピュータグラフィックス上で検討した。この検討を行いやすくするため,チトクロムc_2と反応中心複合体の分子表面の静電ポテンシャルを計算した。チトクロムc_2のヘム近傍は正の電荷を帯びており,これに対応する負電荷の位置を反応中心複合体のチトクロムサブユニットの4つのヘム近傍で探した(電子はチトクロムc_2のヘムから反応中心複合体のチトクロムサブユニットの4つのヘムのどれかに伝達される)。その結果,光酸化されるバクテリオクロロフィル二量体に最も遠いヘムが,その可能性が高いことがわかった。グラフィックス上に組み上げた2つのタンパク質の結合モデルは構造上妥当なものであった。
高速極低温流体中に発生するキャビテーション気泡流の数値解析コード構築に関する研究

LE-7Aロケットエンジンの開発で問題となったターボポンプのキャビテーションの発生と影響の厳密な予測は現在の技術では非常に困難である.今後の高性能化・高効率化を達成するには高速低温流体中キャビテーションの数値解析コードが有効となる.著者が開発した液体窒素の先細末広ノズル中のキャビテーション気泡流コードをベースに,相変化の熱力学モデルを改良し,3次元複雑キャビテーション場の解析用に気泡径分布モデルを新たに導入したコードを開発した.キャビテーション流では個々の気泡の蒸発・凝縮量を含めた成長・収縮の正確な計算が極めて重要となる.それが気相割合=ボイド率の分布を決定し,ボイド率分布が流れ場の性質を決定するからである.気泡成長・収縮モデルには一般に慣性力支配モデルと伝熱支配モデルがある.本研究では両モデルを含めて検討した結果,翼周りのキャビテーション流では,気泡は場所により圧力が変化する流れ場中を移動するため,一般に振動状態である.ゆえに温度境界層厚さも変動し,単純な慣性力支配モデルや伝熱支配モデルでは正確な計算が困難であることが判明した.そこで慣性力による気泡の振動運動とそれに伴う温度境界層内の温度分布の時間変化を考慮した厳密な数値計算を行い蒸発・凝縮量を計算した.3次元複雑キャビテーション場の解析には,計算負荷が軽く,循環流れを考慮し同一空間内に時間履歴やサイズの異なる気泡の混在を取扱う必要がある.そこで従来のラグランジェモデルの長所であるサイズの異なる気泡が混在できる点を維持しつつ,短所である計算負荷が大きい点を改良するため,気泡径分布モデルを採用した.本モデルを静止液体中および1次元ノズル流れにおいて検証し,妥当性を確認した.最後に,上下100Lの液体窒素流下水槽を構築し,翼周りに発生するキャビテーションを高速度ビデオで可視化する実験を行い,開発した計算コードの検証を行った.LE-7Aロケットエンジンの開発で大きな問題となったのがターボポンプのキャビテーションである.現在の技術ではキャビテーションの発生とその影響を厳密に予測するのは非常に困難である.今後の高性能化・高効率化を達成するには高速低温流体中キャビテーションの数値解析コードが有効となる.著者が開発した液体窒素の先細末広ノズル中のキャビテーション気泡流コードをベースに,相変化の熱力学モデルを改良し,3次元複雑キャビテーション場が解析できるよう計算負荷の軽い気泡径分布モデルを新たに導入したコードを開発した.気泡成長モデルはキャビテーション気泡流の相変化モデルの基礎である.気泡成長モデルは一般に慣性力支配モデルと伝熱支配モデルに分類できる.前者は気泡周りの液体の半径方向慣性力により成長収縮運動が決定されるモデルであり比較的短い時間スケールの支配モデルとなる.後者は気泡周りの液体の温度境界層発達によって成長収縮運動に必要な相変化量が決定されるモデルであり比較的長い時間スケールの支配モデルとなる.静止液体中の気泡成長における検証の結果,目標とするキャビテーション場の時間スケールでは伝熱支配モデルの採用が適当であることがわかった.3次元複雑キャビテーション場の解析のため,計算負荷が軽く,循環流れ等も考慮し同一空間内に時間履歴の異なる様々な半径の気泡が存在することを取扱う必要がある.そこで従来のラグランジェモデルの長所である様々な半径の気泡が混在できる点を維持しつつ,欠点である気泡数密度に比例して計算負荷が大きくなる点を改良するため,気泡計算にオイラ場を用いた気泡径分布モデルを採用した.本モデルを静止液体中および1次元ノズル流れにおいて検証し,妥当性を確認した.以上2つのモデルを2次元先細末広ノズル流れ場に適用し従来の実験結果と定性的な一致を得た.LE-7Aロケットエンジンの開発で大きな問題となったのがターボポンプのキャビテーションである.現在の技術ではキャビテーションの発生とその影響を厳密に予測するのは非常に困難である.今後の高性能化・高効率化を達成するには高速低温流体中キャビテーションの数値解析コードが有効となる.著者が開発した液体窒素の先細末広ノズル中のキャビテーション気泡流コードをベースに,相変化の熱力学モデルを改良し,3次元複雑キャビテーション場が解析できるよう計算負荷の軽い気泡径分布モデルを新たに導入したコードを開発した.昨年度に開発したキャビテーションコードはいくつかの任意に定められるパラメーターがある.この値は実験との比較により最適な値を導き出す必要がある.ノズル流れに関してはNASAのSimoneauとHendricksが行った圧力分布の詳細な実験結果が存在する.そこでノズル流れのシミュレーションを行いパラメーターのチューニングを行った結果,ノズル流れに関してはほぼ定量的にも良い圧力分布の一致を見る結果を得た.しかしながらこのNASAの実験も可視化されておらずキャビテーション領域が厳密に再現されているかは不明である.目標としている翼周りの低温実験結果は,低温流体の取り扱いの困難さから公開されているものが少なく,さらに可視化されているものは非常に少数である.そこで本年度,液体窒素を用いた翼周りのキャビテーション流れを可視化し、圧力・温度計測を行うブローダウン型の実験装置を構築した.上部の120リットル真空断熱タンクに液体窒素を貯蔵し,翼周りキャビテーションの可視化が可能なポリカーボネード製テストセクションに液体窒素を大流量で流す,これを下部の真空断熱タンクで受ける.これにより比較的高速のキャビテーション流れを実現できた.LE-7Aロケットエンジンの開発で問題となったターボポンプのキャビテーションの発生と影響の厳密な予測は現在の技術では非常に困難である.今後の高性能化・高効率化を達成するには高速低温流体中キャビテーションの数値解析コードが有効となる.

著者が開発した液体窒素の先細末広ノズル中のキャビテーション気泡流コードをベースに,相変化の熱力学モデルを改良し,3次元複雑キャビテーション場の解析用に気泡径分布モデルを新たに導入したコードを開発した.キャビテーション流では個々の気泡の蒸発・凝縮量を含めた成長・収縮の正確な計算が極めて重要となる.それが気相割合=ボイド率の分布を決定し,ボイド率分布が流れ場の性質を決定するからである.気泡成長・収縮モデルには一般に慣性力支配モデルと伝熱支配モデルがある.本研究では両モデルを含めて検討した結果,翼周りのキャビテーション流では,気泡は場所により圧力が変化する流れ場中を移動するため,一般に振動状態である.ゆえに温度境界層厚さも変動し,単純な慣性力支配モデルや伝熱支配モデルでは正確な計算が困難であることが判明した.そこで慣性力による気泡の振動運動とそれに伴う温度境界層内の温度分布の時間変化を考慮した厳密な数値計算を行い蒸発・凝縮量を計算した.3次元複雑キャビテーション場の解析には,計算負荷が軽く,循環流れを考慮し同一空間内に時間履歴やサイズの異なる気泡の混在を取扱う必要がある.そこで従来のラグランジェモデルの長所であるサイズの異なる気泡が混在できる点を維持しつつ,短所である計算負荷が大きい点を改良するため,気泡径分布モデルを採用した.本モデルを静止液体中および1次元ノズル流れにおいて検証し,妥当性を確認した.最後に,上下100Lの液体窒素流下水槽を構築し,翼周りに発生するキャビテーションを高速度ビデオで可視化する実験を行い,開発した計算コードの検証を行った.