ソノケミストリーにおける非球形気泡のマルチスケールフィジックスに関する研究

• Project/Area Number: 13J02710
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 神保 佳典 北海道大学, 大学院工学研究院, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2013-04-01 – 2016-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2015)
• Budget Amount: ¥4,320,000 (Direct Cost: ¥3,600,000、Indirect Cost: ¥720,000); Fiscal Year 2015: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2014: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000); Fiscal Year 2013: ¥1,200,000 (Direct Cost: ¥1,200,000)
• Keywords: キャビテーション / 気泡 / ソノケミストリー / 数値流体力学 / 中空液滴 / 非平衡相変化 / 非凝縮性気体 / Diffuse interface model / 液滴衝突 / 気体論境界条件 / 流体工学 / 溶解・析出

Outline of Annual Research Achievements

１．申請研究におけるミクロ的な観点の数値計算として，気泡の非球形崩壊が，ラジカルなどの気泡内物質（化学反応に重要となる）の液体中への流出量に及ぼす影響を調べる目的で，気液界面における非平衡相変化とその界面を通過する非凝縮性気体の拡散とを同時に考慮した非球形気泡崩壊の直接数値計算を行った．前年度までに構築した分子気体力学に基づく気液界面境界条件を満たし得るGhost fluid法を，軸対称二次元計算に適用できるように拡張した．気泡が非球形に崩壊する際に，液体ジェットが気泡界面に形成され，それが気泡を貫通し，それにより渦流れ場が形成され，界面に微細な構造が形成される過程が計算されるとともに，その界面から次第に流出する気泡内物質（非凝縮性気体）が確認された．また，熱的な物質分解機構の解明に重要と考えられる気泡崩壊時に発生する高温とその周囲液体への伝導について論文にまとめた．
２．ミクロ的な観点の数値計算手法の検証実験・計算として，低圧環境下での液滴の固体壁面への高速衝突現象を実験ならびに数値計算にて調べた．低圧環境下で液滴内部に発生した気泡が，液滴の固体壁面への衝突時に発生する圧力変動により非球形に潰される．数値計算により得られた液滴内部での気泡の非球形崩壊過程は実験結果とおおむね一致した．また，液滴が固体壁に高速衝突することで衝突部近傍に形成される気相流れ場を実験ならびに数値計算により詳細に調べた．
３．申請研究におけるメゾ的な観点の数値計算手法（流体に加わる力学的作用等に起因して生成崩壊する気泡を扱う）の基本となる数値計算手法を構築した．二相間での相変化を考慮する際に重要となる二相間での熱交換を考慮した圧縮性二相流の偏微分方程式系を，Kapila’s five-equation modelを拡張することにより導出した．さらには，その方程式系を数値的に解く手法も構築した．

Research Progress Status

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

27年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National Taiwan University(Taiwan)
• [Journal Article] Numerical Simulation of Bubble Collapse and the Transfer of Vapor and Noncondensable Gas through the Bubble Interface Using the Ghost Fluid Method (2015)
  • Author(s): Y., Jinbo, K., Kobayashi, M., Watanabe and H., Takahira
  • Journal Title: Journal of Physics: Conference Series Volume: 656 Pages: 012021-012021
  • DOI: 10.1088/1742-6596/656/1/012021
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Observation of Water-Droplet Impacts with Velocities of O(10 m/s) and Subsequent Flow Field (2015)
  • Author(s): Y., Tatekura, T., Fujikawa, Y., Jinbo, T., Sanada, K., Kobayashi and M., Watanabe
  • Journal Title: ECS Journal of Solid State Science and Technology Volume: 4 Issue: 9 Pages: N117-N123
  • DOI: 10.1149/2.0111509jss
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Influence of the Nonequilibrium Phase Transition on the Collapse of Inertia Nonspherical Bubbles in a Compressible Liquid (2015)
  • Author(s): Y., Jinbo, T., Ogasawara and H., Takahira
  • Journal Title: Experimental Thermal and Fluid Science Volume: Vol. 60 Pages: 374-384
  • DOI: 10.1016/j.expthermflusci.2014.07.021
  • Peer Reviewed / Acknowledgement Compliant
• [Journal Article] 気泡崩壊のシミュレーション(境界要素法とGhost Fluid法の適用) (2014)
  • Author(s): 高比良裕之，神保佳典，小笠原紀行
  • Journal Title: ターボ機械 Volume: Vol. 42 Pages: 681-687
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Influence of the Nonequilibrium Phase Transition on the Nonspherical Bubble Collapse in a Compressible Liquid (2013)
  • Author(s): Jinbo Yoshinori, Itatani Shohei, Ogasawara Toshiyuki, and Takahira Hiroyuki
  • Journal Title: Proceedings of the 8th International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013) Volume: Paper No. ICMF2013-681 Pages: 1-9
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Numerical Analysis of Bubble Dynamics with Vapor－Liquid Boundary Conditions Derived from Molecular Gas Dynamics (2016)
  • Author(s): S., Morikawa, Y., Jinbo, Y., Tatekura, K., Kobayashi, M., Watanabe, H., Fujii and K., Sasaki
  • Organizer: International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2016)
  • Place of Presentation: Firenze Fiera, Palazzo dei Congressi, (Firenze, Italy)
  • Year and Date: 2016-05-22
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Numerical Simulation of Bubble Collapse and the Transfer of Vapor and Noncondensable Gas through the Bubble Interface Using the Ghost Fluid Method (2015)
  • Author(s): Y., Jinbo, K., Kobayashi, M., Watanabe and H., Takahira
  • Organizer: 9th International Symposium on Cavitation (CAV2015)
  • Place of Presentation: SwissTech Convention Center, (Lausanne, Switzerland)
  • Year and Date: 2015-12-06
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 音響キャビテーション気泡の動力学 (2015)
  • Author(s): 神保佳典
  • Organizer: 明治大学科学技術研究所 物理学セミナー
  • Place of Presentation: 明治大学生田キャンパス（神奈川県川崎市）
  • Year and Date: 2015-09-14
  • Invited
• [Presentation] 分子気体力学に基づく気液界面の境界条件を適用した相変化を伴う気泡運動を表す数理モデルの数値計算 (2015)
  • Author(s): 森川昌太郎，神保佳典，立藏祐樹，小林一道，渡部正夫
  • Organizer: 日本機械学会2015年度年次大会
  • Place of Presentation: 北海道大学（北海道札幌市）
  • Year and Date: 2015-09-13
• [Presentation] 気液界面を含む流れの数値解析，気泡崩壊の詳細解析 (2015)
  • Author(s): 神保佳典
  • Organizer: 日本混相流学会混相流シンポジウム2015，若手研究者夏季セミナー2015
  • Place of Presentation: 高知共済会館（高知県高知市）
  • Year and Date: 2015-08-06
  • Invited
• [Presentation] Numerical Simulation of Compressible Two-Phase Flows in High-Speed Impingement of a Hollow Droplet on a Solid Wall (2015)
  • Author(s): Y., Jinbo, K., Kobayashi, M., Watanabe and T., Sanada
  • Organizer: EMN Meeting on Droplets
  • Place of Presentation: Phuket (Thailand)
  • Year and Date: 2015-05-08 – 2015-05-11
  • Invited
• [Presentation] 相変化を伴う球形気泡の運動を表す数理モデルの数値計算 (2015)
  • Author(s): 森川昌太郎，神保佳典，藤井宏之，小林一道，渡部正夫
  • Organizer: 北海道学生会第43回学生員卒業研究発表講演会
  • Place of Presentation: 釧路工業高等専門学校（北海道釧路市）
  • Year and Date: 2015-03-08
• [Presentation] 固体壁に高速衝突する液滴内部での気泡崩壊に関する数値解析 (2014)
  • Author(s): 神保佳典，加藤昌也，小林一道，渡部正夫，真田俊之
  • Organizer: キャビテーションに関するシンポジウム（第17回）
  • Place of Presentation: 東京大学 生産技術研究所（東京都目黒区）
  • Year and Date: 2014-11-20 – 2014-11-21
• [Presentation] 分子気体論に基づく相変化を伴う気液界面境界条件の流体力学解析への適用手法の検討 (2013)
  • Author(s): 神保 佳典, 小林 一道, 渡部 正夫
  • Organizer: 第27回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 名古屋大学(愛知県名古屋市)
  • Year and Date: 2013-12-18
• [Presentation] 非球形気泡崩壊時の気泡内外の物質の挙動に関する数値解析 (2013)
  • Author(s): 神保 佳典
  • Organizer: 2013年度第22回ソノケミストリー討論会
  • Place of Presentation: 信州大学(長野県松本市)
  • Year and Date: 2013-10-26
• [Presentation] 気液界面における熱・物質輸送を考慮したGhost Fluid法の検討(蒸気と非凝縮性気体からなる二成分混合気体への拡張) (2013)
  • Author(s): 神保 佳典
  • Organizer: 日本流体力学会年会 2013
  • Place of Presentation: 東京農工大学(東京都小金井市)
  • Year and Date: 2013-09-13
• [Presentation] Influence of the Nonequilibrium Phase Transition on the Nonspherical Bubble Collapse in a Compressible Liquid (2013)
  • Author(s): Jinbo Yoshinori, Itatani Shohei, Ogasawara Toshiyuki, and Takahira Hiroyuki
  • Organizer: 8th International Conference on Multiphase Flow (ICMF 2013)
  • Place of Presentation: International Convention Center Jeju, South Korea
  • Year and Date: 2013-05-27
• [Remarks] Laboratory of Fluid Dynamics (流体力学研究室)
  • URL: http://labs.eng.hokudai.ac.jp/labo/fluid/