Flow structure of bubbles in non-newtonian fluid bu visualization of unsteady stress field
| Project/Area Number |
22K20403
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
楠野 宏明 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 特任助教 (90966029)
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| Project Period (FY) |
2022-08-31 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| Budget Amount *help |
¥2,470,000 (Direct Cost: ¥1,900,000、Indirect Cost: ¥570,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 気泡 / 抗力 / 境界層 / 偏光計測 / 光弾性 |
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| Outline of Research at the Start |
本研究では，主応力差に比例する位相差と方位角を検出できる光弾性法より実験的に場を計測し，非ニュートン流体中を上昇する球形気泡の流動構造，特に境界層と後流の発達メカニズムを実験的に解明する．本研究の特徴は，数値解析検証を経て実験的に気泡近傍の位相差を計測する点，境界層および後流の発達メカニズムから順に非ニュートン流体効果を議論する点にある．
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| Outline of Annual Research Achievements |
本課題では，光弾性法を用いて上昇する球形気泡の応力場を実験的に測定し，境界層の発達を議論する．気泡スケール現象で気泡挙動へ影響を大きく与える要因として，界面活性剤の気泡界面への吸着，気泡自身の変形，周囲流体の非ニュートン性などが挙げられる．このいずれも周囲流動場，特に境界層近傍の流動変化が気泡挙動を大きく決める要因となっているからである．この流動場可視化のために光弾性法を用い，境界層発達を議論する．
2022年度は，まず光弾性法の流動場適用について妥当性評価を行なった．変形のない固体球について光弾性法を用いた計測と数値解析結果を比較検証することで，ニュートン流体においては定量的な一致が確認できた．それだけでなく，従来では計測困難であった境界層内の流動構造を可視化にも成功した．3次元再構成に関しても，軸対称条件を考慮し，固体とは異なる運動方程式を適用することで，運用が可能であることが示唆されつつある．
非ニュートン流体中の光弾性計測については定量評価が難しい．しかしながら，定性的評価は可能である．そこで，当初の予定であった非ニュートン流体中を上昇する球形気泡境界層議論を変更する．具体的には，極微量の界面活性剤ならばニュートン流体特性を保ちつつ境界層流動変動が起こるため，その境界層議論を行う．また非ニュートン流体ではBubble Velocity Discontinuityという急激な速度ジャンプが見られるため，その現象を光弾性法を用いて定性的に議論する．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
進捗状況については，「偏光計測実験の精度検証」「気泡周り流動の偏光計測実験」「数値解析」に分けて説明する．
まず，始めに偏光計測実験の精度検証を行なった．こちらは，気泡のような変形する物体を対象とすると難易度が上がるため，変形のない固体球周りかつニュートン流体について行なった．気泡と同程度のレイノルズ数範囲を調査し，数値解析結果（後述）と比較検証することで，実験で得られた積算値と応力の関係を見出すことができた．さらに特質すべきは，球近傍，すなわち境界層内の流動構造を可視化できることを明らかにしたことである．
続いて，気泡周り流動の偏光計測について．こちらは一旦ニュートン流体中の気泡について実験を行い，気泡周りの流動構造を可視化することに成功し，固体球のそれとは全く別物であることを説明した．
最後に，数値解析ではAdaptive Mesh Refinementを利用可能なコードを拡張させ，固体球周りの解析を行い偏光計測手法の妥当性検証に適用した．さらに，非ヒュートン（Shear-thinning性）流体の二相流解析コードを作成し，様々な現象に扱えるよう環境を整えた．
現状で問題なのは，非ニュートン流体を偏光計測することで応力を”定量的”に導出することが難しいことである（ニュートン流体ならば可能であることは示唆した）．そこで，気泡挙動のレジームが変わる現象をターゲットとする．具体的にはBubble Velocity Discontinuityと呼ばれる非ニュートン流体で発現する，気泡上昇速度のジャンプを偏光計測を用いて行う．偏光計測では行なっていないが，予備実験にてその現象が確認できることはすでに調査済みである．また，複雑現象として，界面活性剤水溶液中を上昇する単一気泡の流動構造遷移にも着目する．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，定量評価が可能な界面活性剤水溶液（ニュートン流体）中の単一気泡は上昇距離とともに境界条件が変化する特異な状態であるため，それを偏光計測にて調査する．活性剤の吸着・脱離性能が非常に高いTriton X-100を対象として実験を行なった結果，特徴量を捉えることに成功したので，そのさらに詳細を議論するために吸着・脱離性能の低いペンタノールを用いた実験を行う．こちらの結果はJournal of Fluid Mechanicsへ投稿する予定である．また，予定よりも検証可能な結果が多いと見込んでいるため，著書は2つほどと推測している．別途詳細を知るために数値解析コードの作成も並行して行う．数値解析コードは界面活性剤の吸着によって様々な界面張力を持つ二相流を解析できるコードである．波及効果も考えて，気泡意外にも適用できるよう調整する．
続いて，非ニュートン流体中でBubble Velocity Discontinuityの偏光計測を行う．こちらは，どのような偏光計測結果が出るかは未知である．しかしこれはポリマーのストレッチ・リラックスによるものと推測でき，それの計測はまさに偏光計測の得意とするところであるため，応力場の詳細が議論できるはずである．またこちらの研究に関しては，海外の先生と行う可能性がある．数値解析コードに関しては，当初はOldroyd-Bを用いた手法を考えていたが，FENE-Pモデルが主流であるためそちらの調査も行いつつ，必要なコードを作成する予定．
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Report
(1 results)
Research Products
(3 results)
