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Wall wettability and fluid rheology effects on two-phase flows in microchannel

Research Project

Project/Area Number 22K03907
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionKumamoto University

Principal Investigator

川原 顕磨呂  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (20224818)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 米本 幸弘  熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 准教授 (70516418)
Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000)
Fiscal Year 2024: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Fiscal Year 2023: ¥910,000 (Direct Cost: ¥700,000、Indirect Cost: ¥210,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Keywords二相流 / マイクロチャンネル / 非ニュートン流体 / 濡れ性 / 粘弾性流体 / 流体レオロジー
Outline of Research at the Start

微小空間内の二相流では、スケール効果により表面張力や粘性力の影響が体積力より大きくなる。特に、微小区間では流れのせん断速度が大きいため非ニュートン粘性の影響が顕著となる。加えて、気体-液体-固体の三相界面が存在する場合、表面張力と関連が深い固液間の濡れ性の影響は無視できない。この粘性力と濡れ性を積極的かつ効果的にして二相流動を制御できれば、高精度・高効率な流体機器・デバイスが創成できると考えられる。そこで本研究では、微小流路内の二相流動特性、特に相界面性状や圧力損失に及ぼす流路壁面の濡れ性、非ニュートンレオロジー特性の影響を明らかにし、二相流動特性を定量予測できるモデルを構築する。

Outline of Annual Research Achievements

研究では、マイクロ・ミニ流路内の二相流動特性、特に相界面性状や圧力損失に及ぼす流路壁面の濡れ性、非ニュートンレオロジー特性、流路スケールの三つの因子の影響を明らかにし、二相流動特性を定量予測できるモデルを構築することを目的として、本年度は次を実施した。
・用いた液体は非ニュートン流体としてカルボキシメチルセルロース水溶液0.05,0.4wt%(CMC0.05,CMC0.4)の二種類とニュートン流体としてグリセリン水溶液50wt%(GLY50)の一種類を非ニュートン流体と比較するために用いた。マイクロチャンネル内の上一面の壁面濡れ性を変更した。異なる濡れ性のテストシートを二枚のアクリル板に挟むことで濡れ性を操作した。本研究では,濡れ性の評価に静的接触角(見かけの接触角)を用いた。その際、流路壁面の接触角を13~156°の範囲で変化させた。
・すべての供試液体、テストシートでスラグ流が観測された。二相流の圧力損失は見かけの粘度が同程度のCMC0.05とGLY50では濡れ性の違いは見られなかった。CMC0.4の二相流の圧力損失はアクリルシートのみ他のテストシートと異なる傾向が見られた。(詳細は解析中)
・VOF(Volume Of Fluid)による数値解析を行い、気泡長さ、液体スラグ長さ、気泡速度および圧力損失の数値データを得た。数値データは液体の種類およびテストシートの違いによらずおおむね実験値を再現できた。
・低レイノルズ数から高レイノルズ数の広範囲の領域において急拡大部を通過する粘弾性流体の圧力変化について調査し、圧力変化モデルを検討した。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

昨年度の研究で得た知見(問題点を含む)に基づき実験方法の改良を行い、壁面濡れ性および流体レオロジーと二相流特性に関するデータベースを得ることができた。

Strategy for Future Research Activity

流動および流路条件を一部追加し、実験データベースを拡充する。また、数値解析を実施し、実験データとの比較検討を行い、濡れ性と流体レオロジーが気液二相流および液体単相流動に及ぼす影響をモデル化を試みる。加えて、液(ニュートン流体)-液(非ニュートン流体)二相流のデータベースを新たに構築する。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (11 results)

All 2023 2022

All Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 4 results)

  • [Presentation] aylor bubble velocity for gas and non-Newtonian liquid two-phase flow in microchannels with T-junction inlet2023

    • Author(s)
      Akimaro Kawahara, Yukihiro Yonemoto, Yoichi Arakaki
    • Organizer
      The 11th International Conference on Multiphase Flow ICMF2023)
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Non-Newtonian Liquid-Gas Two-Phase Flow through a Sudden Expansion in a Microchannel2023

    • Author(s)
      Yuki Yamahata, Yishuai Li, Yukihiro Yonemoto, Akimaro Kawahara
    • Organizer
      ASME-JSME-KSME Joint Fluids Engineering Conference 2023, AJK FED2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Study on Rheological changes in non-Newtonian fluids under high shear rate in microchannel2023

    • Author(s)
      Yuki Yamahata, Yishuai Li, Koki Kamino, Yukihiro Yonemoto
    • Organizer
      The 33rd International Symposium on Transport Phenomena ISTP33
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Investigation of non-Newtonian fluids flow through microchannel with a sudden expansion2023

    • Author(s)
      Yishuai Li, Yuki Yamahata, Koki Kamino, Yukihiro Yonemoto, Akimaro Kawahara
    • Organizer
      The 33rd International Symposium on Transport Phenomena ISTP33
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 小流路内の非ニュートン二相スラグ流における気泡速度2023

    • Author(s)
      川原 顕磨呂,米本 幸弘,新垣 陽一,山畑 裕貴,李 ユウ帥
    • Organizer
      日本混相流学会混相流シンポジウム2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 水平矩形微小流路内の気液二相流に及ぼす壁面濡れ性の影響2023

    • Author(s)
      横尾 拓海, 須山 寛, 福地 佑真, 米本 幸弘, 川原 顕磨呂
    • Organizer
      第27回動力・エネルギー技術シンポジウム
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 急拡大部を有するマイクロチャンネル内を流れる粘弾性流体の研究2023

    • Author(s)
      李ユウ帥,山畑裕貴,米本幸弘,川原顕磨呂
    • Organizer
      日本機械学会九州支部第76期総会・講演会講演論文集
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] マイクロチャンネル内の気液二相流と壁面濡れ性の関係2022

    • Author(s)
      横尾 拓海,境 将,瀬戸口 恵一,米本 幸弘,川原 顕磨呂
    • Organizer
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 矩形マイクロチャンネル内気液二相流に及ぼす壁面濡れ性と気液混合部の影響2022

    • Author(s)
      横尾 拓海,境 将,瀬戸口 恵一,米本 幸弘,川原 顕磨呂
    • Organizer
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] マイクロチャンネル内を流れる気液二相流に流路の濡れ性と形状が与える影響2022

    • Author(s)
      横尾 拓海,境 将,米本 幸弘,川原 顕磨呂
    • Organizer
      日本機械学会2022 年度年次大会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 壁面濡れ性と矩形マイクロチャンネル内気液二相流動の関係2022

    • Author(s)
      横尾 拓海,須山寛,瀬戸口 恵一,米本 幸弘,川原 顕磨呂
    • Organizer
      日本機械学会第100期流体工学部門講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report

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Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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