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Last Updated :2024/11/10
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プロフィール
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https://fujii-hr.eng.hokudai.ac.jp/
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https://scholar.google.com/citations?user=cIsrZd8AAAAJ&hl=ja&oi=sra
姓
藤井, フジイ名
宏之, ヒロユキID各種
201301096907506744
対象リソース
業績リスト
研究キーワード
研究分野
経歴
- 2023年04月 - 現在 北海道大学 大学院工学研究院 機械宇宙工学部門 准教授（テニュアトラック）
- 2024年08月 - 2024年12月 ミシガン大学 電子工学・計算科学学科 客員研究員
- 2023年08月 - 2023年09月 ロスキレ大学 科学環境学科 数学・物理学専攻 客員研究員
- 2019年04月 - 2023年03月 北海道大学 大学院工学研究院 機械宇宙工学部門 助教（テニュア）
- 2019年09月 - 2019年12月 ミシガン大学 電子工学・計算科学学科 客員研究員
- 2014年04月 - 2019年03月 北海道大学 大学院工学研究院 機械宇宙工学部門 助教（テニュアトラック）
- 2012年04月 - 2014年03月 東京都医学総合研究所 ヒト統合脳機能プロジェクト 外部支援研究員（JST研究員）
学歴
- 2009年04月 - 2012年03月 東北大学 工学研究科・ナノメカニクス専攻 博士後期課程
- 2007年04月 - 2009年03月 東北大学 工学研究科・ナノメカニクス専攻 博士前期課程
- 2003年04月 - 2007年03月 筑波大学 第一学群自然学類 物理学専攻
委員歴
- 2024年05月 - 現在 日本伝熱学会 63期 協議員 https://www.htsj.or.jp/about/2607.html
- 2022年04月 - 現在 日本機械学会 流体工学部門 北海道地区流体工学研究会 幹事
- 2022年04月 - 現在 生体ひかりイメージング産学連携専門員会 委員 https://cboi.jp/
- 2021年04月 - 現在 近赤外研究会 役員（北海道地区） http://jcnirs.org/yakuin.html
- 2023年06月 - 2024年07月 The fifth International Workshop on Nano-Micro Thermal Radiation, Nanorad 2024 Second Secretary General https://nanorad2024.org/index.html
- 2022年04月 - 2024年03月 日本機械学会 熱工学部門 広報委員会 委員
- 2015年04月 - 2017年03月 日本機械学会 流体工学部門 広報委員 ニューズレター担当
- 2015年01月 - 2015年10月 日本機械学会 2015年度年次大会 実行委員会 委員
受賞
- 2024年11月 近赤外研究会 指導学生の受賞・ 第40回近赤外フォーラム Student Travel Award
「豆乳凝固状態の評価に向けた光散乱特性計測」受賞者: 西川 小彌太;藤井 宏之;西村 吾朗;小林 一道;渡部 正夫 - 2024年03月 日本機械学会 指導学生の受賞・ 三浦賞
受賞者: 羅 炫禹 - 2023年11月 日本光学会 2023年度 光学論文賞
「多成分コロイド溶液における光散乱と光伝播特性の体積分率依存性を記述するモデル式」受賞者: 藤井 宏之 - 2023年03月 日本機械学会北海道支部 指導学生の受賞・ 第52回学生員卒業研究発表講演会 Best Presentation Award
「⾖乳凝集過程モニタリングのための光散乱特性計測」受賞者: 西川 小彌太;藤井 宏之;西村 吾朗;小林 一道;渡部 正夫 - 2023年03月 北海道大学工学研究院 工学研究院若手教員奨励賞
受賞者: 藤井 宏之 - 2022年11月 近赤外研究会 指導学生の受賞・ 第38回近赤外フォーラム Student Travel Award
「分子動力学法と電磁波理論による近赤外光散乱特性の数値解析」受賞者: 羅炫禹;藤井宏之;小林一道;渡部正夫 - 2022年06月 新化学技術推進協会 第11回新化学技術研究奨励賞（特別課題）
「高濃度な懸濁液の分散安定性を非破壊的に評価する近赤外分光法の開発」受賞者: 藤井 宏之 - 2022年03月 公益財団法人コニカミノルタ科学技術振興財団 令和３年度コニカミノルタ画像科学奨励賞
「散乱光を用いた高密度な懸濁液における粒径分布の非破壊評価」受賞者: 藤井 宏之 - 2021年11月 近赤外研究会 指導学生の受賞・ 第37回近赤外フォーラム Student Travel Award
「近赤外レーザーで誘起される光音響波のマルチフィジックスモデル」受賞者: 寺林伊織;藤井宏之;小林一道;渡部正夫 - 2021年10月 The International Council for NIR Spectroscopy (ICNIRS) 指導学生の受賞・ Best Poster Award of NIR2021
「Study on near-infrared light scattering in colloidal suspensions using time-resolved measurements」受賞者: 井上優輝;藤井宏之;西村吾朗;青木俊晃;小林一道;渡部正夫 - 2020年11月 近赤外研究会 NIR Advance Award
「生体・農産物・食品における光散乱のモデリングと解析」受賞者: 藤井 宏之
論文
- Hiroyuki Fujii, Hyeonwoo Na, Jungyun Yi, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeColloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects 703 135208 1 - 9 2024年11月 [査読有り][通常論文]
- Hiroyuki Fujii, Hyeonwoo Na, Koyata Nishikawa, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeOptical Review 31 3 299 - 308 Springer Science and Business Media LLC 2024年05月22日 [査読有り][招待有り]
Abstract Near-infrared spectroscopy and imaging using scattered light potentially evaluate the structural properties of the medium, like the average particle size, based on a relation between its structure and light scattering. A qualitative understanding of light scattering is crucial for developing optical imaging techniques. The scattering properties of dense colloidal suspensions have been extensively investigated using the electromagnetic theory (EMT). The colloidal suspensions are widely used in liquid tissue phantoms for optical imaging techniques and are encountered in various fields, such as the food and chemical industries. The interference between electric fields scattered by colloidal particles significantly influences the scattering properties, so-called the interference effects. Despite many efforts since the 1980s, a complete understanding of the interference effects has still not been achieved. The main reason is the complicated dependence of the interference on the optical wavelength, particle size, and so on. This paper briefly reviews numerical and theoretical studies of the interference effect based on the dependent scattering theory, one of the EMTs, and model equations. - Kazumichi Kobayashi, Kota Aoki, Hirofumi Tabe, Hiroyuki Fujii, Toshiki Nara, Hideyoshi Takashima, Nobuyuki Oshima, Masao WatanabePhysics of Fluids 35 082021 1 - 8 2023年08月01日 [査読有り]
This paper presents molecular dynamics simulations of the Couette flow of a rarefied gas between the liquid and wall boundaries and, in particular, investigates the boundary conditions for the Boltzmann equation at the liquid interface. The simulation results for various Knudsen numbers show that the slip velocity decreases at the liquid boundary and increases at the smooth wall as the Knudsen number increases, indicating that the velocity profile of the rarefied Couette flow is asymmetric. One reason for this is backscattering, in which molecules are reflected in the opposite direction to the mainstream flow, owing to molecular-scale roughness at the liquid boundary. It has also been suggested that the backscattering effect decreases when the gas density increases. This can be understood using the local Knudsen numbers near the liquid boundary. - Hiroyuki Fujii, Koyata Nishikawa, Hyeonwoo Na, Yuki Inoue, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeInfrared Physics & Technology 132 104753 1 - 9 2023年08月 [査読有り][通常論文]
- Kotaro Ohashi, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeInternational Communications in Heat and Mass Transfer 142 106622 1 - 8 2023年03月 [査読有り][通常論文]
- Hiroyuki Fujii, Iori Terabayashi, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabePhotoacoustics 27 3 100368, 1 - 10 Elsevier 2022年09月01日 [査読有り]
- Ryunosuke Adachi, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Toshiyuki Sanada, Masao WatanabePhysics of Fluids 34 062116 1 - 13 2022年06月 [査読有り][通常論文]
A water drop impacting a dry solid surface can eject a thin liquid sheet, which is forced to expand on the surface to wet the solid surface. Wetting failure, which produces defects in applications based on the impact of drops, including coating, cooling, cleaning, and printing, may occur with a sufficiently large liquid-sheet velocity. However, the exact onset of wetting failure when a drop impacts the surface has yet to be determined. Therefore, we examine the dependence of rim instability immediately after liquid-sheet ejection on the static contact angle of the solid surface at the instant of water drop impact. This study is the first attempt to solve this problem and is made possible only by using an ultra-high-speed camera. We revealed that wetting failure can occur by investigating the rim instability of the liquid sheet. - Hirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeInternational Journal of Heat and Mass Transfer 188 122663 - 122663 2022年06月 [査読有り]
- Hiroyuki Fujii, Hyeonwoo Na, Toshiaki Aoki, Yuki Inoue, Iori Terabayashi, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeExtended abstract of SI-Thru2022 SI-Thru8-02 1 - 3 2022年04月 [査読有り][通常論文]
- Hirofumi Tabe, Kiryu Hiramatsu, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao Watanabe, Tsuyoshi TotaniApplied Thermal Engineering 212 118472 1 - 7 2022年04月 [査読有り]
In this study, we conducted molecular dynamics simulations of the evaporation of locally heated argon liquid to construct the kinetic boundary condition (KBC) for the evaporation. The KBC denotes the boundary condition of the Boltzmann equation, and the mass, momentum, and heat fluxes through the interface can be determined by solving the Boltzmann equation with the KBC. From the results, we established a method for constructing the KBC for the evaporation of locally heated argon liquid. Furthermore, we found that the velocity distribution of the KBC immediately after liquid heating becomes anisotropic, which means that the normal and tangential temperatures composed of outgoing molecules from the liquid phase to the gas phase take different values when the liquid interface is heated momentarily. From the present study, we can elucidate the mechanism of the occurrence of net evaporation mass flux due to the locally heated liquid film, e.g., the spot heating by infrared radiation. - Hiroyuki Fujii, Moegi Ueno, Yuki Inoue, Toshiaki Aoki, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeOptics Express 30 3 3538 - 3538 2022年01月31日 [査読有り]
- Hiroyuki Fujii, Iori Terabayashi, Toshiaki Aoki, Yuki Inoue, Hyeonwoo Na, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeApplied Sciences 12 3 1190, 1 - 12 2022年01月24日 [査読有り]
Understanding light propagation in liquid phantoms, such as colloidal suspensions, involves fundamental research of near-infrared optical imaging and spectroscopy for biological tissues. Our objective is to numerically investigate light propagation in the alumina colloidal suspensions with the mean alumina particle diameter of 55 nm at the volume fraction range 1–20%. We calculated the light scattering properties using the dependent scattering theory (DST) on a length scale comparable to the optical wavelength. We calculated the steady-state radiative transfer and photon diffusion equations (RTE and PDE) using the DST results based on the finite difference method in a length scale of the mean free path. The DST calculations showed that the scattering and reduced scattering coefficients become more prominent at a higher volume fraction. The anisotropy factor is almost zero at all the volume fractions, meaning the scattering is isotropic. The comparative study of the RTE with the PDE showed that the diffusion approximation holds at the internal region with all the volume fractions and the boundary region with the volume fraction higher than 1%. Our findings suggest the usefulness of the PDE as a light propagation model for the alumina suspensions rather than the RTE, which provides accurate but complicated computation. - Kotaro Ohashi, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabePhysics of Fluids 33 12 122017 - 122017 2021年12月 [査読有り]
- Yuki Inoue, Hiroyuki Fujii, Goro Nishimura, Toshiaki Aoki, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeExtended abstracts of NIR2021 P13 168 - 169 2021年10月 [査読有り][通常論文]
- Toshiaki Aoki, Hiroyuki Fujii, Yuki Inoue, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeExtended abstracts of NIR2021 O11 60 - 61 2021年10月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 青木 俊晃, 井上 優輝, 寺林 伊織, 小林 一道, 渡部 正夫Technical digest of 26th Microoptics Conference (MOC2021) PO-11 164 - 165 日本応用物理学会 2021年09月 [査読有り]
- Hirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabePLOS ONE 16 3 e0248660 - e0248660 2021年03月16日 [査読有り]
The kinetic boundary condition (KBC) represents the evaporation or condensation of molecules at the vapor–liquid interface for molecular gas dynamics (MGD). When constructing the KBC, it is necessary to classify molecular motions into evaporation, condensation, and reflection in molecular-scale simulation methods. Recently, a method that involves setting the vapor boundary and liquid boundary has been used for classifying molecules. The position of the vapor boundary is related to the position where the KBC is applied in MGD analyses, whereas that of the liquid boundary has not been uniquely determined. Therefore, in this study, we conducted molecular dynamics simulations to discuss the position of the liquid boundary for the construction of KBCs. We obtained some variables that characterize molecular motions such as the positions that the molecules reached and the time they stayed in the vicinity of the interface. Based on the characteristics of the molecules found from these variables, we investigated the valid position of the liquid boundary. We also conducted an investigation on the relationship between the condensation coefficient and the molecular incident velocity from the vapor phase to the liquid phase. The dependence of the condensation coefficient on the incident velocity of molecules was confirmed, and the value of the condensation coefficient becomes small in the low-incident-velocity range. Furthermore, we found that the condensation coefficient in the non-equilibrium state shows almost the same value as that in the equilibrium state, although the corresponding velocity distribution functions of the incident velocity significantly differ from each other. - 藤井 宏之, 千葉 豪, 山田 幸生, 星 詳子, 小林一道, 渡部 正夫Journal of Computational Physics 423 109825 1 - 14 2020年09月 [査読有り][通常論文]
A versatile and accurate treatment for the highly forward-peaked phase function in the three-dimensional (3D) radiative transfer equation (RTE) based on the discrete ordinates method (DOM) is crucial for biomedical optics. Our first objective was to compare the delta-Eddington (dE) and Galerkin quadrature (GQ) methods. The dE method decomposes the phase function into a purely forward-peaked component and the other component, and expands the other component by Legendre polynomials as well as the finite order Legendre expansion (FL) method does. The GQ method conducts the weighting procedure in addition to the Legendre expansion. Although it was reported that both methods can provide the accurate results for calculations of the RTE, the versatility of both methods is still unclear. The second objective was to examine a possibility of a conjunction of the GQ method with the dE method, called as the GQ-dE method, which has the advantages of both methods. We examined numerical errors in the moment conditions of the phase function using the FL, dE, GQ and GQ-dE methods at various types and orders of the quadrature sets, mainly in the region of the errors induced by the angular discretization using the DOM. The errors were reduced by the dE method from those by the FL method, however the error reduction depended on the types and orders of the quadrature sets. Meanwhile, the errors were significantly reduced by the GQ and GQ-dE methods, regardless of the quadrature sets. We also verified the numerical calculations of the time-dependent 3D RTE by the analytical solution of the RTE for homogeneous media in the region of the scattering length scale, where the highly forward-peaked phase function strongly influences the RTE-results. The errors in the RTE-results were similar to those in the moment conditions. Our results suggest the higher versatility and accuracy of the GQ and GQ-dE methods than those of the FL and dE methods. (C) 2020 Elsevier Inc. All rights reserved. - Hiroyuki Fujii, Leung Tsang, Jiyue Zhu, Koki Nomura, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeOptics Express 28 15 22962 - 22977 2020年07月10日 [査読有り][通常論文]
- Kotaro Ohashi, Kazumichi Kobayashi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeScientific Reports 10 8143 2020年05月18日 [査読有り][通常論文]
- 野村 航希, 藤井 宏之, 小林 一道, 渡部 正夫, 西村 吾朗Proceeding of the 7th Asian NIR symposium (ANS2020) 2020 AFI-0006 12 - 13 2020年02月 [査読有り][通常論文]
- 遠藤 茂樹, 藤井 宏之, 小林 一道, 渡部 正夫Proceeding of the 7th Asian NIR symposium (ANS2020) 2020 NRT-0008 60 - 61 2020年02月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 西村 吾朗, 遠藤 茂樹, 野村 航希, 小林 一道, 渡部 正夫Proceeding of the 7th Asian NIR symposium (ANS2020) 2020 AFI-0007 14 - 15 2020年02月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 上野 萌黄, 小林 一道, 渡部 正夫Applied Sciences 10 93 1 - 16 2020年02月 [査読有り][通常論文]
- 芦田 拓, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 真田 俊之Physical Review Fluids 5 011601 1 - 9 2020年01月 [査読有り][通常論文]
- 田部 広風海, 小林 一道, 矢口 久雄, 藤井 宏之, 渡部 正夫International Journal of Thermal Sciences 150 106203 1 - 10 2020年01月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 千葉 豪, 山田 幸生, 星 詳子, 小林 一道, 渡部 正夫Proceedings of the 9th International Symposium on Radiative Transfer, RAD-19 SM05 261 - 268 2019年09月 [査読有り][通常論文]
- 田林 孝介, 藤井 宏之, 小林 一道, 渡部 正夫AIP Conference Proceedings (ICNAAM2018) 2116 450052 1 - 4 2019年07月 [査読有り][通常論文]
- 大川 晋平, 三村 徹也, 藤井 宏之, 川口 拓之, 谷川 ゆかり, 町田 学, 岡田 英史, 星 詳子Proceedings of SPIE, Diffuse Optical Spectroscopy and Imaging VII 11074 1107407 1 - 4 2019年07月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 山田 幸生, 星 詳子, 小林 一道, 渡部 正夫AIP Conference Proceedings (ICNAAM2018) 2116 450037 1 - 4 2019年07月 [査読有り][通常論文]
- 山本 恭平, 小林 一道, 渡部 正夫, 藤井 宏之, 今 美紗紀, 高比良 裕之Physical Review Fluids 4 063603 1 - 10 2019年06月 [査読有り][通常論文]
- 田林 孝介, 藤井 宏之, 大川 晋平, 小林 一道, 山田 幸生, 星 詳子, 渡部 正夫CMBE Proceedings (6th International Conference on Computational & Mathematical Biomedical Engineering) A5 161 - 164 2019年05月 [査読有り][通常論文]
- Correction to: Influence of liquid–solid intermolecular force on levitation of impacting nanodropletHirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeHeat and Mass Transfer 55 4 1005 - 1005 2019年04月 [査読有り][通常論文]
- 田部 広風海, 小林 一道, 矢口 久雄, 藤井 宏之, 渡部 正夫Heat and Mass Transfer 55 4 993 - 1003 2019年04月 [査読有り][通常論文]
- Molecular Dynamics Study on Influence of Liquid-solid Intermolecular Force on Levitating Mechanism of Impacting Nanodroplet on Heated WallHirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeSurface Wettability Effects on Phase Change Phenomena(SWEP) 2019年 [査読有り][通常論文]
- 小林 一道, 永山 貴広, 渡部 正夫, 藤井 宏之, 今 美沙紀Journal of Fluid Mechanics 856 10 1045 - 1063 2018年12月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 山田 幸生, 千葉 豪, 星 詳子, 小林 一道, 渡部 正夫Journal of Computational Physics 374 591 - 604 2018年12月 [査読有り][通常論文]
- Hiroyuki Fujii, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Shinpei Okawa, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeReaction Kinetics, Mechanisms and Catalysis 123 2 439 - 453 2018年04月01日 [査読有り][通常論文]
Constructions of numerical schemes for solving the radiative transfer equation (RTE) are crucial to evaluate light propagation inside photocatalytic systems. We develop accurate and efficient schemes of the three-dimensional and time-dependent RTE for numerical phantoms modeling aqueous titanium dioxide suspensions, in which the anisotropy of the forward-directed scattering varies and the strength of absorption is comparable to that of scattering. To improve the accuracy and efficiency of the numerical solutions, the forward-directed phase function is renormalized in the zeroth or first order with a small number of discrete angular directions. Then, we investigate the influences of the forward-directed scattering on the numerical solutions by comparing with the analytical solutions. The investigation shows that with the anisotropy factor less than approximately 0.7 corresponding to the moderate forward-directed scattering, the numerical solutions of the RTE using the both of the zeroth and first order renormalization approaches are accurate due to the reductions of the numerical errors of the phase function. With the anisotropy factor more than approximately 0.7 corresponding to the highly forward-directed scattering, the first order renormalization approach still provides the accurate results, while the zeroth order approach does not due to the large errors of the phase function. These results suggest that the developed scheme using the first order renormalization can provide accurate and efficient calculations of light propagation in photocatalytic systems. - Influence of surface roughness of high temperature wall on levitation of impacting droplet based on molecular dynamics simulationHirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeSurface Wettability Effects on Phase Change Phenomena (SWEP) workshop 2018年 [査読有り][通常論文]
- Numerical investigation of light and pressure propagation in biological tissue for model-based photoacoustic tomography田林 孝介, 藤井 宏之, 小林 一道, 渡部 正夫Extended Abstracts of The 9th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference TFEC9-1526 1 - 4 2017年10月 [査読有り][通常論文]
- 森川昌太郎, 立藏祐樹, 小林一道, 藤井宏之, 渡部正夫, 佐々木浩一ながれ 36 105 - 108 2017年05月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 山田 幸生, 小林 一道, 渡部 正夫, 星 詳子International Journal for Numerical Methods in Biomedical Engineering 33 5 1 - 12 2017年05月 [査読有り][通常論文]
Diffuse optical tomography using near-infrared light in a wavelength range from 700 to 1000nm has the potential to enable non-invasive diagnoses of thyroid cancers; some of which are difficult to detect by conventional methods such as ultrasound tomography. Diffuse optical tomography needs to be based on a physically accurate model of light propagation in the neck, because it reconstructs tomographic images of the optical properties in the human neck by inverse analysis. Our objective here was to investigate the effects of three factors on light propagation in the neck using the 2D time-dependent radiative transfer equation: (1) the presence of the trachea, (2) the refractive-index mismatch at the trachea-tissue interface, and (3) the effect of neck organs other than the trachea (spine, spinal cord, and blood vessels). There was a significant influence of reflection and refraction at the trachea-tissue interface on the light intensities in the region between the trachea and the front of the neck surface. Organs other than the trachea showed little effect on the light intensities measured at the front of the neck surface although these organs affected the light intensities locally. These results indicated the necessity of modeling the refractive-index mismatch at the trachea-tissue interface and the possibility of modeling other neck organs simply as a homogeneous medium when the source and detectors were far from large blood vessels. - 小林 一道, 佐々木 清文, 今 美紗紀, 藤井 宏之, 渡部 正夫Microfluidics and Nanofluidics 21 3 1 - 13 2017年03月 [査読有り][通常論文]
Using molecular dynamics simulations, the present study investigated the precise characteristics of the binary mixture of condensable gas (vapor) and noncondensable gas (NC gas) molecules creating kinetic boundary conditions (KBCs) at a gas-liquid interface in equilibrium. We counted the molecules utilizing the improved two-boundary method proposed in previous studies by Kobayashi et al. (Heat Mass Trans 52: 1851-1859, 2016. doi: 10.1007/s00231-015-1700-6). In this study, we employed Ar for the vapor molecules, and Ne for the NC gas molecules. The present method allowed us to count easily the evaporating, condensing, degassing, dissolving, and reflecting molecules in order to investigate the detailed motion of the molecules, and also to evaluate the velocity distribution function of the KBCs at the interface. Our results showed that the evaporation and condensation coefficients for vapor and NC gas molecules decrease with the increase in the molar fraction of the NC gas molecules in the liquid. We also found that the KBCs can be specified as a function of the molar fraction and liquid temperature. Furthermore, we discussed the method to construct the KBCs of vapor and NC gas molecules. - Molecular Dynamics Study of Droplet Impact on High-Temperature WallHirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeThe 7th East Asia Mechanical and Aerospace Engineering Workshop 2017年 [査読有り][通常論文]
- Molecular Dynamics Simulation of the Role of the Wettability in the Droplet Impact on a High-temperature WallHirofumi Tabe, Kazumichi Kobayashi, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Masao WatanabeExtended Abstracts of the 9th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference TFEC9-1492 2017年 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 大川 晋平, 山田 幸生, 星 詳子, 渡部 正夫Journal of Mathematical Chemistry 54 10 2048 - 2061 2016年11月 [査読有り][通常論文]
Numerical calculation of photon migration in biological tissue using the radiative transfer equation (RTE) has attracted great interests in biomedical optics and imaging. Because biological tissue is a highly forward-peaked scattering medium, renormalization of the phase function in numerical calculation of the RTE is crucial. This paper proposes a simple approach of renormalizing the phase function by the double exponential formula, which was heuristically modified from the original one. Firstly, the validity of the proposed approach was tested by comparing numerical results for an average cosine of the polar scattering angle calculated by the proposed approach with those by the conventional approach in highly forward-peaked scattering. The results show that calculation of the average cosine converged faster using the proposed approach than using the conventional one as a total number of discrete angular directions increases. Next, the accuracy of the numerical solutions of the RTE using the proposed approach was examined by comparing the numerical solutions with the analytical solutions of the RTE in a homogeneous medium with highly forward-peaked scattering. It was found that the proposed approach reduced the errors of the numerical solutions from those using the conventional one especially at a small value of the total number of the directions. This result suggests that the proposed approach has a possibility to improve the accuracy for the numerical results of the RTE in the highly scattering medium. - Kazumichi Kobayashi, Kazuki Konno, Hisao Yaguchi, Hiroyuki Fujii, Toshiyuki Sanada, Masao WatanabePhysics of Fluids 28 3 1 - 10 2016年03月 [査読有り][通常論文]
In this study, we investigated nanodroplet spreading at the early stage after the impact using molecular dynamics simulations by changing the magnitude of the intermolecular force between the liquid and wall molecules. We showed that the droplet deformation after the impact greatly depends on the intermolecular force. The temporal evolution of the spreading diameters was measured by the cylindrical control volume for several molecular layers in the vicinity of the wall. At the early stage of the nanodroplet impact, the normalized spreading radius of the droplet is proportional to the square root of the normalized time, (t) over cap. This result is understood by the geometrical consideration presented by Rioboo et al. ["Time evolution of liquid drop impact onto solid, dry surfaces," Exp. Fluids 33, 112-124 (2002)]. In addition, we found that as the intermolecular force between the liquid and wall becomes stronger, the normalized spreading diameter of the first molecular layer on the wall remains less dependent on the impact velocity. Furthermore, the time evolution of the droplet spreading changes from root(t) over cap to log (t) over cap with time. (C) 2016 AIP Publishing LLC. - 服部 聖仁, 藤井 宏之, 西村 吾朗, 小林 一道, 渡部 正夫Proceeding of the 5th Asian NIR symposium (ANS2016) 2016 O-6 72 - 73 2016年 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 西村 吾朗, 服部 聖仁, 小林 一道, 渡部 正夫Proceeding of the 5th Asian NIR symposium (ANS2016) 2016 P-86 288 - 289 2016年 [査読有り][通常論文]
- Kazumichi Kobayashi, Kiyofumi Sasaki, Misaki Kon, Hiroyuki Fujii, Masao Watanabe30TH INTERNATIONAL SYMPOSIUM ON RAREFIED GAS DYNAMICS (RGD 30) 1786 110002 1 - 9 2016年 [査読有り][通常論文]
The aim of this study is to construct the kinetic boundary condition for Ar-Ne binary mixture in equilibrium using molecular dynamics (MD) simulations. The temperature of the MD simulation system is 85 K; Ar molecules behave as condensable gas (vapor), and Ne molecules behave as non-condensable gas (gas). In this simulation, we utilize the two-boundary method improved by our previous study to investigate behaviors of Ar and Ne molecules at the interface. From the results, we can obtain the molecular mass fluxes at the interface, and evaluate the values of evaporation and condensation coefficients of Ar (vapor) and Ne (gas) molecules. - Erina Miyakawa, Hiroyuki Fujii, Kiyohito Hattori, Yuki Tatekura, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeAIP Conference Proceedings (ICCMSE2016) 1790 050003 1 - 4 2016年 [査読有り][通常論文]
Diffuse optical tomography (DOT), which is still under development, has a potential to enable non-invasive diagnoses of thyroid cancers in the human neck using the near-infrared light. This modality needs a photon migration model because scattered light is used. There are two types of photon migration models: the radiative transport equation (RTE) and diffusion equation (DE). The RTE can describe photon migration in the human neck with accuracy, while the DE enables an efficient calculation. For developing the accurate and efficient model of photon migration, it is crucial to investigate a condition where the DE holds in a scattering medium including a void region under the refractive-index mismatch at the void boundary because the human neck has a trachea (void region) and the refractive indices are different between the human neck and trachea. Hence, in this paper, we compare photon migration using the RTE with that using the DE in the medium. The numerical results show that the DE is valid under the refractive-index match at the void boundary even though the void region is near the source and detector positions. Under the refractive-index mismatch at the boundary, the numerical results using the DE disagree with those using the RTE when the void region is near the source and detector positions. This is probably because the anisotropy of the light scattering remains around the void boundary. - Hiroyuki Fujii, Shinpei Okawa, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Masao WatanabeAIP Conference Proceedings (ICCMSE2016) 1790 050002 1 - 4 2016年 [査読有り][通常論文]
Numerical calculation of photon migration in biological tissue using the radiative transfer equation (RTE) has attracted great interests in biomedical optics and imaging. Because biological tissue is a highly forward-peaked scattering medium, a normalization of scattering phase function in the RTE is crucial. This paper proposes a simple way of normalizing the phase function by the double exponential formula, which is heuristically modified from the original one. The proposed method is validated by the agreement between the numerical solution of the RTE with the proposed method and analytical solution of the RTE for the case of a highly forward-peaked scattering medium, while the numerical solutions with conventional normalization methods disagree with the analytical solution. This result suggests the proposed method is accurate in numerical calculation of the RTE. - Hiroyuki Fujii, Shinpei Okawa, Ken Nadamoto, Eiji Okada, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Masao WatanabeJournal of Applied Nonlinear Dynamics 5 1 117 - 125 2016年 [査読有り][通常論文]
Biomedical optical imaging has a possibility of a comprehensive di- agnosis of thyroid cancer in conjunction with ultrasound imaging. For improvement of the optical imaging, this study develops a higher order scheme for solving the time-dependent radiative transport equa- tion (RTE) by use of the finite-difference and discrete-ordinate meth- ods. The accuracy and efficiency of the developed scheme are ex- amined by comparison with the analytical solutions of the RTE in homogeneous media. Then, the developed scheme is applied to de- scribing photon migration in the human neck model. The numerical simulations show complex behaviors of photon migration in the hu- man neck model due to multiple diffusive reflection near the trachea. - Hiroyuki Fujii, Shinpei Okawa, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Masao WatanabeProceedings of SPIE for Biophotonics Japan 2015 9792 2015年 [査読有り][通常論文]
Development of a physically accurate and computationally efficient photon migration model for turbid media is crucial for optical computed tomography such as diffuse optical tomography. For the development, this paper constructs a space-time coupling model of the radiative transport equation with the photon diffusion equation. In the coupling model, a space-time regime of the photon migration is divided into the ballistic and diffusive regimes with the interaction between the both regimes to improve the accuracy of the results and the efficiency of computation. The coupling model provides an accurate description of the photon migration in various turbid media in a wide range of the optical properties, and reduces computational loads when compared with those of full calculation of the RTE. - Kiyohito Hattori, Hiroyuki Fujii, Yuki Tatekura, Kazumichi Kobayashi, Masao WatanabeProceedings of SPIE for Biophotonics Japan 2015 9792 2015年 [査読有り][通常論文]
An accurate determination of optical properties of agricultural products is crucial for non-destructive assessment of food quality. For the determination, light intensity is measured at the surface of the product then, inverse analysis is employed based on a light propagation model such as the radiative transfer equation (RTE). The inverse analysis requires high computational loads because the light intensity is numerically calculated using the model every time the optical properties are changed. For the calculation, we propose an efficient technique by combining a numerical solution with an analytical solution of the RTE, and investigate the validity of the technique in a two-dimensional homogeneous circular medium which is regarded as a light propagation model with optical properties of kiwifruit. The proposed technique can provide accurate results of the light intensity in change of the optical properties, and the accuracy is less dependent on the boundary conditions and source-detector angles. In addition, the technique can reduce computation time compared with that for numerical calculation of the RTE. These results indicate usefulness of the proposed technique for the inverse analysis. - Hiroyuki Fujii, Shinpei Okawa, Ken Nadamoto, Eiji Okada, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Masao WatanabeProceedings of SPIE for Biomedical Applications of Light Scattering IX 9333 2015年 [査読有り][通常論文]
Accurate modeling and efficient calculation of photon migration in biological tissues is requested for determination of the optical properties of living tissues by in vivo experiments. This study develops a calculation scheme of photon migration for determination of the optical properties of the rat cerebral cortex (ca 0.2 cm thick) based on the three-dimensional time-dependent radiative transport equation assuming a homogeneous object. It is shown that the time-resolved profiles calculated by the developed scheme agree with the profiles measured by in vivo experiments using near infrared light. Also, an efficient calculation method is tested using the delta-Eddington approximation of the scattering phase function. - 藤井 宏之, 大川 晋平, 山田 幸生, 星 詳子Journal of Quantitative Spectroscopy & Radiative Transfer 147 145 - 154 2014年11月 [査読有り][通常論文]
Numerical modeling of light propagation in random media has been an important issue for biomedical imaging, including diffuse optical tomography (DOT). For high resolution DOT, accurate and fast computation of light propagation in biological tissue is desirable. This paper proposes a space-time hybrid model for numerical modeling based on the radiative transfer and diffusion equations (RTE and DE, respectively) in random media under refractive-index mismatching. In the proposed model, the RTE and DE regions are separated into space and time by using a crossover length and the time from the ballistic regime to the diffusive regime, rho(DA) similar to 10/mu(t)' and t(DA) similar to 20/v mu(t)' where mu(t)' and v represent a reduced transport coefficient and light velocity, respectively. The present model succeeds in describing light propagation accurately and reduces computational load by a quarter compared with full computation of the RTE. (C) 2014 Elsevier Ltd. All rights reserved. - Eiji Okada, Shinpei Okawa, Yukari Tanikwa, Tetsuya Yoshinaga, Hiroyuki Fujii, Ken’ichi Fujimoto, Kou Hashimoto, Tadashi Iwase, Satoru Kohno, Yoko HoshiTransactions of Japanese Society for Medical and Biological Engineering 52 52 - SY-53 2014年08月17日 [査読有り][通常論文]
Diffuse optical tomography (DOT) has potential to provide clinically important functional information which is cannot measured by X-ray CT and MRI. The light is scattered by tissue and an adequate mathematical model is essential for DOT. In this project, we establish the forward model and image reconstruction algorithm based on the radiative transfer equation (RTE), which is more accurate but complicated than the conventionally used diffusion equation (DE), and a time-resolved system to measure the optical properties of tissue. A hybrid RTE-DE algorithm is developed to reduce the computational cost however keeping the high accuracy. The image reconstruction based on the RTE is evaluated by simulation and the results are clearly improved compared with that based on the DE. The feasibility study has been started to assess the applicability of RTE-based DOT to the brain and thyroid gland in which light propagation is affected by low- or non-scattering regions. - Image errors of time-resolved optical tomography based on the radiative transfer and diffusion equations藤井宏之, 大川晋平, 吉永哲哉, 山田幸生, 星詳子ODF'14 Technical Digest (9th International Conference on Optics-photonics Design and Fabrication) 13PDb-20 1 - 2 2014年02月 [査読有り][通常論文]
- Hiroyuki Fujii, Yoko Hoshi, Shinpei Okawa, Tomoya Kosuge, Satoru KohnoAIP Conference Proceedings (4th International Symposium on Slow Dynamics in Complex Systems) 1518 579 - 585 2013年 [査読有り][通常論文]
Recently, numerical models for photon propagation inside the living tissues have extensively been discussed based on the radiative transfer (RTE) and diffusion equations (DE). In this paper, we propose a hybrid model based on the RTE and DE for photon propagation in a turbid medium with an anisotropic source and refractive-index-mismatched boundaries. At first, we examine the validity of the diffusion approximation by comparing calculated fluence rates between the RTE and DE. The accuracy of the diffusion approximation is confirmed when the detector is placed far from the source and boundaries. These length scales are estimated at similar to 10/mu(t) from the source and similar to 3/mu(t) from the boundaries with the transport coefficient These length scales are estimated at similar to 10/mu(t) from the source and similar to 3/mu(t) from the boundaries with the transport coefficient mu(t). By using the two length scales, we can construct a hybrid model successfully. Our hybrid model recovers photon propagation based on the RTE, and effectively reduces computation costs by approximately half. - Hiroyuki Fujii, Yoko Hoshi, Shinpei Okawa, Tomoya Kosuge, Satoru KohnoProceedings of SPIE for Optical Tomography and Spectroscopy of Tissue X 8578 857835 1 - 7 2013年 [査読有り][通常論文]
For improvement of diffuse optical tomography, one needs a numerical model to compute photon propagation accurately and efficiently. Thus, in the paper, we construct a hybrid model based on the radiative transfer equation (RTE) and diffusion equation (DE) in the time domain under the refractive-index- mismatching at boundary. At first, a fictive interface between the RTE and DE regions is determined, which is characterized by a length scale ρDA. By comparing the fluence rate calculated based on the RTE to that on the DE, we estimate ρDA at ∼10/μt, where μt denotes the extinction coefficient. Next, we determine a coefficient representing the reflectivity in the Robin boundary condition of the DE by analyzing the fluence rates in the domain outside ρDA. Then, the hybrid model is constructed by using the determinations. The fluence rates based on this hybrid algorithm is consistent with those on the RTE in a whole range of the medium and computational costs are reduced efficiently. © 2013 Copyright SPIE. - Hiroyuki Fujii, Yoko Hoshi, Shinpei Okawa, Tetsuya Yoshinaga, Satoru Kohno, Yukio YamadaAIP Conference Proceedings (ICNAAM2013) 1558 2528 - 2531 2013年 [査読有り][通常論文]
Recently, transport phenomena of photon energy have been attractive topics due to the applications of the biomedical imaging such as diffuse optical tomography (DOT). For improvement of numerical modeling in DOT, accurate and fast calculations of light propagations in biological tissues are necessary. This paper proposes a light propagation model based on the radiative transfer and diffusion equations (RTE and DE) in random media. Numerical calculations of light propagation using the both equations provide the condition for the DE to be valid. Length and time scales for the validity of the DE are estimated to be about 10l(m) and 20l(m)/v, respectively, where l(m) is the mean free path of photon and v is the light velocity. The proposed model can provide accurate descriptions of spatial and temporal profiles of light propagation in random media subject to the refractive-index mismatched boundary condition. Also, it can appropriately reduce computation time by an order of magnitude when compared with that fully computing the RTE. - 藤井 宏之, 徳山 道夫Physical Review E 83 2 1 - 8 2011年02月 [査読有り][通常論文]
The recently proposed universality near the glass transition [M. Tokuyama, Phys. Rev. E 80, 031503 (2009)] is tested for the dynamics of a single atom in ternary metallic glass-forming Cu60TixZr40-x melts by using molecular-dynamics simulations for different compositions, x = 10, 20, and 30. First, a master curve for the dynamics of the atom, such as the mean-square and mean-fourth displacements, is shown to exist independently of x if the long-time self-diffusion coefficient D-S(L) has the same value. Second, a master curve for the temperature dependence of D-S(L) is shown to exist independently of x. Finally, master curves for characteristic length and time scales of the atom are also shown to exist independently of x. - 藤井 宏之, 徳山 道夫Proceedings of Eighth International Conference on Flow Dynamics OS12-72 618 - 619 2011年 [査読有り][通常論文]
MISC
- 澤井 冴, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 真田 俊之 流体工学部門講演会講演論文集 2018 (OS2-17) 2019年05月 [査読有り][通常論文]
- 千葉豪, 藤井宏之 日本原子力学会秋の大会予稿集(CD-ROM) 2018 ROMBUNNO.2M20 2018年08月20日 [査読無し][通常論文]
- 藤井 宏之, 山田 幸生, 星 詳子, 小林 一道, 渡部 正夫 Extended abstract of the 12th CME International Conference OS12 (2) 2018年 [査読無し][通常論文]
- 田部 広風海, 小林 一道, 矢口 久雄, 藤井 宏之, 渡部 正夫 マイクロ・ナノ工学シンポジウム 2018.9 (30pm4PN16) 2018年 [査読有り][通常論文]
- 田部 広風海, 小林 一道, 矢口 久雄, 藤井 宏之, 渡部 正夫 流体工学部門講演会講演論文集 2018 (OS2-1) 2018年 [査読有り][通常論文]
- 伊藤 一樹, 芦田 拓, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 吉岡 孝一郎, 大井 航, 髙野 真 流体工学部門講演会講演論文集 2018 (OS2-23) 2018年 [査読有り][通常論文]
- 芦田 拓, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 真田 俊之 流体工学部門講演会講演論文集 2018 (OS2-9) 2018年 [査読有り][通常論文]
- Hiroyuki Fujii, Yukio Yamada, Yoko Hoshi, Kazumichi Kobayashi, Masao Watanabe Extended abstract of The International Conference on Mathematics in (bio)Chemical Kinetics and Engineering (MaCKiE) 2017 2017年 [査読無し][通常論文]
- 藤井 宏之, 山田 幸生, 星 詳子, 小林 一道, 渡部 正夫 第３３回近赤外フォーラム 講演論文集 I (07) 2017年 [査読無し][通常論文]
- 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之 混相流 = Japanese journal of multiphase flow 30 (4) 408 -411 2016年12月
- Naoyoshi Wakabayashi, Ken Nadamoto, Kazuki Kurihara, Shinpei Okawa, Koh Hashimoto, Hiroshi Kawaguchi, Yukari Tanikawa, Hiroyuki Fujii, Satoru Kohno, Yoko Hoshi, Eiji Okada Optics InfoBase Conference Papers 3 2016年04月18日 [査読無し][通常論文]
An anatomical neck model was constructed for the feasibility study of diffuse optical imaging of malignant lesions in the thyroid gland. The anatomical structure of the model is based on the magnetic resonance images of the human neck. The optical properties of the muscle and background tissue in the model are determined by time-resolved measurements. The light propagation in the thyroid gland is strongly affected by the presence of the trachea, which is an optically-void region. - 永山 貴大, 今 美沙紀, 小林 一道, 渡部 正夫, 藤井 宏之, 高比良 裕之 流体工学部門講演会講演論文集 2016 (0727) 2016年 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 大川 晋平, 灘本 健, 岡田 英史, 山田 幸生, 星 詳子, 渡部 正夫 Extended abstract of the 9th CME International Conference OS6 (4) 2015年 [査読無し][通常論文]
- 永山 貴大, 藤井 宏之, 小林 一道, 渡部 正夫 日本機械学会年次大会 2015 (J0540205) 2015年 [査読無し][通常論文]
- 片岡 豊, 堀 優作, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之 日本機械学会年次大会 2015 (G0500203) 2015年 [査読無し][通常論文]
- 服部 聖仁, 藤井 宏之, 小林 一道, 渡部 正夫 日本機械学会年次大会 2015 (J2410103) 2015年 [査読無し][通常論文]
- 山口 陽平, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 真田 俊之 流体工学部門講演会講演論文集 2015 (317) 2015年 [査読有り][通常論文]
- 磯野 俊悠, 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之 日本機械学会年次大会 2015 (G0500202) 2015年 [査読無し][通常論文]
- 藤井 宏之, 大川 晋平, 灘本 健, 岡田 英史, 山田 幸生, 星 詳子, 渡部 正夫 バイオエンジニアリング講演会講演論文集 2015.27 (1G21) 2015年01月 [査読無し][通常論文]
- 岡田英史, 大川晋平, 谷川ゆかり, 吉永哲哉, 藤井宏之, 藤本憲市, 橋本康, 岩瀬正, 河野理, 星詳子 日本生体医工学会大会プログラム・論文集(CD-ROM) 53rd ROMBUNNO.SY3-02-2 2014年 [査読無し][通常論文]
- 藤井 宏之, 星 詳子, 大川 晋平, 小菅 朋也, 河野 理 理論応用力学講演会 講演論文集 62 (OS05-08) 2013年03月 [査読有り][通常論文]
- 藤井 宏之, 星 詳子, 大川 晋平, 小菅 朋也, 河野 理 日本物理学会講演概要集 67.2.2 (20pAK-9) 2012年 [査読無し][通常論文]
- 藤井 宏之, 徳山 道夫 日本物理学会講演概要集 64 (2) 238 -238 2009年08月18日
書籍等出版物
- 藤井 宏之 (担当:共著範囲:１章３節、２章５節)
(株)エヌ・ティー・エス 2021年12月 (ISBN: 9784860437299)生体に安全で優しい“光イメージング”!! ―それは、光の波動性・粒子性の特性を正しく理解し、光の 安全性を最大限利用することが肝要。 この分野における、日本に蓄積されたさまざまな技術リソースと アカデミアでの研究成果の融合により、生体への応用も格段の 進化を遂げる！
担当経験のある科目（授業）
所属学協会
共同研究・競争的資金等の研究課題
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2024年04月 -2026年03月代表者 : 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 真田 俊之
- タカノ農芸化学研究助成財団：研究助成（若手部門）研究期間 : 2022年06月 -2023年04月代表者 : 藤井 宏之
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2020年04月 -2023年03月代表者 : 小林 一道, 藤井 宏之, 渡部 正夫本提案研究は，混合気体に接した気液界面における気体論境界条件を構築し，様々な分野に本研究成果を展開することである．2021年度は主に以下の３つの研究を行った． １．分子計算（分子運動論および分子動力学シミュレーション）を用いて，非平衡気液界面における気体論境界条件の構築を行った．その結果，気体論境界条件に含まれる二つの未知パラメータ（蒸発係数および凝縮係数）を決定した．本結果より，非平衡気液界面における蒸発係数と凝縮係数の値は，平衡状態および非平衡状態においてほぼ変わらないことが明らかとなった．これにより，初期液体温度などの条件にもよるが，平衡状態の蒸発係数および凝縮係数を求めておけば気体論境界条件を構築できることが示唆された． ２．分子動力学解析を用いて，固体壁と液体に挟まれた気体のクエット流れについて解析を行った．この研究より，気液界面における気体論境界条件の位置を検証した．本研究より，１の研究で指定していた気体論境界条件の位置は妥当であることが示唆された．また，高クヌーセン数流れになるほど，気液界面の境界条件が平衡状態の関数形から異なることが示唆された．これについてはさらなる検討が必要である． ３．分子動力学解析を用いて，混合液体（エタノール・イソオクタン）の蒸発について検証した．分子動力学計算を用いてエタノール・イソオクタンの気液平衡系を作り出し，１の研究で提案した方法によって，液体から蒸発する分子の成分について調べた．その結果，エタノールの濃度が低い混合液体においても，蒸発するエタノール分子の割合は高くなることが示された．今後はこの知見を用いて実験結果を整理する予定である．
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2020年04月 -2023年03月代表者 : 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之, 真田 俊之本研究の目的は，「高Oh液滴の固体面衝突直後に発生するcorona splashとprompt splashの発生条件を明らかにし，二つのsplashの発生メカニズムを説明する理論モデルを構築すること」である．この目的を達成するために，本年度は以下の２項目について研究を行った． １．固体表面に滴衝する高Oh液滴の観察：自由落下するシリコンオイルを用いて衝突実験を行い，高Oh液滴のsplash発生条件を探索した．高粘度液滴衝突ではあるOhを閾値としてsplashとreceding break-upの２種類の不安定性が観察されること, 閾値Oh数以上ではreceding break-upのみが観察されさらにOh数を大きくすると不安定性が観察されないこと，receding break-upはある衝突速度以上では観察されないことを明らかにした． ２．粗い表面に衝突する液滴の観察：低圧力環境下の高速液滴衝突 (50m/s程度) 実現を行い，固体表面粗さの効果を検討するために，減圧チャンバ内での粗い固体表面への高速液滴衝突を観察した．平滑表面および粗い固体表面においてsplashの発生閾値を検討した．低Oh液滴衝突においては，これまで観察されていたcorona splashとprompt splashに加えて衝突直後極短時間にのみ観察されるsplashが存在することが発見され，これまでに提案されたsplash発生閾値モデルは，粗い表面には適用できないことを明らかにした． ３．高速度カラー光干渉計による気液界面計測システムによる観察：固体表面に衝突する液滴の固体面衝突直前に，固体表面と液滴との間に形成される薄空気膜はsplash発生に大きな影響を与える．この薄空気膜厚さの空間分布の時間変化が，固体表面電位と液体の誘電率によって大きく変化することを明らかにした．
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2019年04月 -2023年03月代表者 : 西村 吾朗, 藤井 宏之散乱体に埋め込まれた蛍光体に関して、その時間応答関数に関して、研究協力者と検討した。特に、S/Nが最も良くなる時間応答関数が最大値を取る時間を、点蛍光体に関して解析的に導出し、厳密な証明を与えた。これらの結果を投稿論文としてまとめ投稿した。 時間応答関数を観測する上で、検出条件が与える影響を評価するために、MCシミュレーションを行った。特に、検出方向の境界面に対する角度依存性を検討した。検出方向の方位角を4分割、極角を10分割しそれぞれの方向で検出される光子数に関してシミュレーションを行った。入射点と検出点を結ぶ方向に対し直角となる方位角で検出する場合の極角に対する依存性は、界面のフレネル反射と拡散反射のみで説明可能であった。一方、入射点と検出点を結ぶ方向では、入射点方向から離れる方向では強度が大きくなる一方、逆の方向では強度が小さくなり、直角方向のそれとの違いはほぼ対称的であった。この結果は、拡散近似に含まれる流れの項で説明できることがわかった。その一方、時間応答の速い時間ではそれらからずれ、拡散近似の破れが現れた。これらの結果は、10月に行われた国内学会、4月に行われた国際会議で報告した。 散乱体濃度に対して時間応答特性がどのように変化するか、特にその波長依存性に関して、共同研究者とより詳細に解析を進めた。その結果、濃度に対する散乱係数の依存性の非線形性が、波長が長くなるにつれより薄い濃度で現れることが明らかになった。
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2018年06月 -2023年03月代表者 : 渡部 正夫, 小林 一道, 藤井 宏之本研究の目的は，アクティブマターを用いたマイクロ流体システムを開発するために，アクティブマターのメカニズムを解明することである．液滴アクティブマターのメカニズムを解明するためには，分散質（液滴）と分散媒との固体表面上での挙動を解明する必要がある．液滴と分散媒が混和性の場合には，移流による物質移動と相互拡散による物質移動が発生するため，個体表面極近傍での液滴と分散媒の濃度分布を計測することが必要不可欠となる．そのため，以下の２事項に着目して検討した． １．表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムの構築：固体表面極近傍での液滴・分散媒の濃度分布を計測するために，表面プラズモン共鳴観察による濃度分布計測システムを構築した．表面プラズモン共鳴の共鳴条件が，基板表面の状態に敏感に変化することを利用して，基板表面への赤色光入射角を固定することで，基板表面極近傍の液滴・分散媒濃度分布を反射率の関数として 光強度分布として定量化可能である．今年度は，液滴として水，分散媒としてエタノールを用いた．基板表面への入射光角度を水の表面プラズモン共鳴角度に固定して，固体表面極近傍における水・エタノール混合溶液の水平方向濃度分布の時間変化を高速度カメラで撮影することに成功した． ２．エタノール薄液膜に衝突する水液滴挙動の固体表面極近傍での観察：底面を金薄膜を蒸着したスライドガラスとするアクリル製の検査容器を作成しプリズム上に設置し，容器の中にエタノール薄液膜を形成した．直径2mm程度の水液滴を自由落下させエタノール薄液膜に衝突させた．エタノール薄液膜厚さと水液滴落下高さとをパラメータとして，衝突後の水液滴とエタノールの混合溶液の固体表面極近傍での挙動を検討するために，表面プラズモン共鳴観察を行い，固体極近傍での水平方向濃度分布を高速度カメラを用いて観察した．
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2021年10月 -2023年03月代表者 : 藤井 宏之本研究の目的は、生体ファントムであるコロイド溶液における、光の散乱、光の揺らぎ、コロイド粒子の拡散運動に関するマルチフィジックスモデルを構築し、光の揺らぎのメカニズムを統一的に理解することである。拡散相関分光法は、光強度の揺らぎの時間相関関数を計測することで、媒体深部の拡散係数を評価する。この分光法では、光の散乱、光の揺らぎ、粒子の拡散運動のモデル化が必要であるが、先行研究では別々にモデル化が行われていた。本研究では、３つの物理現象が密接に関係していることに着目する。電磁波散乱理論、輻射(ふく射)輸送論、ブラウン動力学シミュレーションに基づいたマルチフィジックスモデルを構築し、光の時間相関関数などを数値計算した上で一連の物理現象における特性時間や特性長を評価する。特性時間や特性長を無次元解析し、光の散乱と粒子の拡散運動に起因した光の揺らぎのメカニズムについて、普遍性の観点より明らかにする。この目的を達成するため、本年度は以下の２項目について研究を実施した。 １．ブラウン動力学シミュレーションを実行する計算コードを作成した。分子動力学シミュレーションと構造特性の結果を比較し、溶媒粒子による構造特性への影響は小さいことを確認することができた。シミュレーション結果より得る構造特性の妥当性を、様々な計算手法による結果を比較して、検証した。少ない粒子数であっても、バルク系を再現する計算コードを構築した。 ２．シミュレーションで得た構造特性の結果を、電磁波理論の一つである干渉散乱理論に組み込み、光散乱特性を世界に先駆けて計算した。粘着性剛体球モデルの結果と比較し、光散乱特性に粒子間の引力相互作用が強く影響を及ぼすことを明らかにした。
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2020年04月 -2023年03月代表者 : 藤井 宏之本研究の目的は、「生体を模擬した高密度なコロイド溶液に対して、輻射（ふくしゃ）の干渉効果を組み込んだ輻射輸送モデル(輸送モデル)を新たに構築した上で、干渉効果が及ぼす光伝播への影響を明らかにすること」である。生体光イメージングや光治療において、生体内の光伝播を定量的に把握することが必要であり、光を輻射と捉えた輸送モデルが活用されている。しかし、従来の輸送モデルには、生体のような高密度な散乱媒体において重要となる干渉効果が考慮されていない。本研究では電磁波の散乱理論より干渉効果を考慮した散乱特性を計算し、輸送モデルに組み込んだ上で光強度の時間分解波形を数値計算する。また、短パルスレーザー光源による光強度計測も実施する。干渉効果が光伝播へ影響を及ぼす時空間スケールについて、散乱係数などで表される無次元数を用いて解析し、理論、数値計算、実験より体系的に明らかにする。この目的を達成するため、本年度は以下の３項目について研究を実施した。 １．光散乱特性を簡潔に記述するモデル式を開発した。モデル式により、単一散乱の寄与と干渉効果の寄与を分離して評価することに初めて成功した。 ２．分担研究者の西村吾朗助教の波長可変の光計測システムを利用して、コロイド溶液（脂質エマルジョン）において、濃度20%まで21条件、720 nmから860 nmまでの6条件で光計測を実施した。光計測データを逆解析することで算出した光学特性値をモデル式より解析し、干渉効果の波長依存性を明らかにした。 ３．分子動力学シミュレーションにより構造特性を計算し、干渉散乱理論に組み込んで散乱特性を計算した。粒子間の引力相互作用が散乱特性に強く影響を及ぼすことを明らかにした。
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2018年04月 -2021年03月代表者 : 藤井 宏之本研究では、生体組織を高密度かつ網目構造を有した高分子溶液として捉え、光干渉散乱理論に基づいて、生体組織における光散乱特性の理論値を導出すること、そして、生体組織の構造特性に起因した光の干渉機構を解明することを目的としている。
平成３０年度では、まず、従来の単分散のコロイド水溶液における干渉散乱理論を多分散に拡張することを試みた。ここで、Cartignyらによって構築された干渉散乱理論を適用し、静的構造因子にはPercus-Yevickの解析解を用いた。また、粒径分布や粒子径などは、生体や農産物の模擬試料として広く用いられているイントラリピッド水溶液に関する計測データを用いた。体積分率が2%程度より低い場合、独立散乱理論と干渉散乱理論による散乱係数は同じとなり、それより大きい場合では干渉効果によって、干渉散乱理論の結果の方が値が小さくなった。この結果は、先行研究による単分散シリカ溶液の結果と同じ傾向であることから、多分散の効果は、定量的に寄与することが考えられた。 次に、イントラリポス溶液を用いて、粒径分布や光計測を行う準備を進めた。粒径分布は北海道大学工学研究院マテリアル分析・構造解析共用ユニットMASAOUにて光計測した。計測結果より、粒径分布はGauss分布の形をしていることが分かったが、計測原理上、高い体積分率では測定できず、今後は別の手法で測定することになった。 最後に、散乱係数を測定するため、ふく射輸送方程式に基づいた逆解析アルゴリズムを構築した。均一無限媒体における、ふく射輸送方程式の解析解と拡散近似した境界条件を用いて、半無限媒体における、ふく射輸送方程式の近似解を構築し、光伝播モデルとした。この近似が成立する光源ー検出点間距離を、ふく射輸送方程式の数値計算と比較することで評価した。 - 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2017年04月 -2020年03月代表者 : 渡部 正夫, 真田 俊之, 小林 一道, 藤井 宏之固体表面への液滴衝突は噴霧冷却，インクジェット印刷，超清浄洗浄等の技術応用において重要な技術的要素である．本研究では，固体表面衝突後に形成される高速液膜流れの不安定性現象に着目し，４つの研究項目（高速度カラー光干渉計を用いた液滴-固体間の空気薄膜形成の観察，異なる接触角を有する固体表面への液滴衝突の観察，減圧チャンバ内での高速液滴衝突の観察，固体表面衝突後の液膜不安定性に及ぼす周囲凝縮性気体の効果の観察）を行うことにより，「高速射出液膜流れの固気液三相接触線近傍流れ場の不安定現象に及ぼす周囲気体効果」を考察した．
- エリザベス・アーノルド富士財団：学術研究助成研究期間 : 2019年07月 -2020年02月代表者 : 藤井 宏之
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2016年04月 -2019年03月代表者 : 小林 一道, 藤井 宏之, 渡部 正夫, 今 美沙紀本研究は蒸気(凝縮性気体)と気体(非凝縮性気体)の混合気体に対する気体論境界条件を決定し，その境界条件を利用して，混相流れの解析，特に気泡の崩壊問題の解析に適用することである．本研究期間では，分子動力学法を用いて平衡状態における混合気体の気体論境界条件を構築した．また，得られた境界条件を用いて，気泡の崩壊問題に適用した．その結果，気泡が崩壊する際には，気液界面近傍に薄い非凝縮性気体の層が形成され，この層の影響で，蒸気の凝縮係数が著しく低くなることが示唆された．また，崩壊時の気泡内部の温度分布は，その内部に含まれるほんのわずかな非凝縮性気体の量に応じて変化することが明らかとなった．
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2015年04月 -2018年03月代表者 : 大川 晋平, 藤井 宏之, 平沢 壮, 精 きぐなレーザー光を生体に照射した際にヘモグロビンなどの色素が発生する超音波（光音響）を用いて胎児・胎盤の血液濃度分布をイメージングすることによって胎内での酸素供給状態をモニタリングするための技術研究を目的として、光音響を用いた生体組織の光の吸収・散乱の度合いを表す光学特性値測定や生体内の光伝播シミュレーションを用いた定量的なヘモグロビン濃度分布の画像化法の開発、動物モデルを用いた胎盤の光音響イメージングを行った。
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2015年04月 -2018年03月代表者 : 藤井 宏之本研究課題では，ふく射輸送方程式に基づいて，微細構造を有する生体組織内の光伝搬を明らかにした上で，in-vivoにおける生体組織の光学特性値を高精度に算出する逆解析アルゴリズムを開発することを目指した． 主な成果としては，生体のような強い異方性散乱媒体に対して，高速かつ高精度のふく射輸送方程式の数値計算手法を開発し，弾道光から拡散光へと遷移する長さと時間を光学特性値の関数として提示したこと，逆解析アルゴリズムを構築し，農産物や食品の光学特性値をin-vivo及びex-vivoで算出，構造特性との関係性を明らかにしたことである．
- エリザベス・アーノルド富士財団：学術研究助成・舟橋重明記念奨励助成研究期間 : 2016年07月 -2017年04月代表者 : 藤井 宏之
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2014年04月 -2017年03月代表者 : 渡部 正夫, 真田 俊之, 小林 一道, 矢口 久雄, 藤井 宏之固体表面への液滴衝突は噴霧冷却，インクジェット印刷，超清浄洗浄等の技術応用において重要な技術的要素である．本研究では，Xuら（Phys. Rev. Lett, 184505, 2005）の液滴衝突後に発生する高速液膜の不安定現象発生閾圧力についてのモデルが，周囲気体温度の寄与を予測することが可能であることを示した．さらに周囲気体が凝縮性気体の場合には，高速液膜の不安定現象発生閾圧力がXuらのモデルでは予測できず，不安定現象発生閾圧力はより高く，すなわち安定化することを示した．
- 日本学術振興会：科学研究費助成事業研究期間 : 2014年04月 -2016年03月代表者 : 渡部 正夫, 小林 一道, 矢口 久雄, 藤井 宏之本研究の目的は，平均場運動論理論から得られるEnskog-Vlasov方程式を用いて，強い非平衡状態にある気液界面近傍での非定常熱・物質輸送現象を解明することである．運動論理論の数値解析手法の一つであるEV-DSMC法を用いて，強い非平衡状態の気液界面近傍の非定常熱・物質輸送現象の数値解析を行い，流体力学の枠組み内で使用可能な，気液界面近傍の熱・物質輸送を記述する境界条件を構築した．この境界条件を用いて相変化を含んだ気泡運動を表す数理モデルを提案し，物理過程を調査した．