キャビテーション現象の基本的理解

1994 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06402054
• Research Category: Grant-in-Aid for General Scientific Research (A)
• Research Institution: The University of Tokyo
• Principal Investigator: 加藤 洋治 東京大学, 工学部, 教授 (00010695)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 前田 正二 東京大学, 工学部, 助手 (60219277) ; 小村 隆士 東京大学, 工学部, 助手 (10010894) ; 山口 一 東京大学, 工学部, 助教授 (20166622) ; 宮田 秀明 東京大学, 工学部, 教授 (70111474) ; 藤野 正隆 東京大学, 工学部, 教授 (10010787)
• Keywords: キャビテーション / ナビエ・ストークスの式 / 熱伝達 / 物質伝達 / 熱的影響 / 理論 / 実験 / 高温水

Research Abstract

キャビテーション現象の基本的理解のためには、従来の粘性を考慮した2相流解析の他に、蒸発・凝縮を含む熱・物質伝達を考慮しなければならないとの認識に立ち、理論的、実験的に研究を行っている。
まず、無限流体中に単一気泡がある場合について、一般的に取扱える理論解析法を開発し数値計算を実施した。液体としては高温水、液体窒素、液体水素等を対象としている。熱・物質伝達を無視した場合の誤差は高温水では45℃程度でもかなり大きく、液体水素等では熱・物質伝達を無視した解析は意味がない。本計算法により熱・物質伝達を考慮した解析の重要性が再確認された。
次にキャビテーションを蒸気泡群で表現した気泡2相流モデルを、熱・物質伝達を考慮したものに発展させ、断面形状が変化するダクト内のキャビティ流れの解析を行った。
この理論解析は、2相流の連続の式、ナビエ・ストークスの式、熱伝達式、蒸発凝縮の理論式、状態方程式等を連立させて解くもので、解法としては差分法を採用している。現在、理論式の検討、プログラミングが終わり、試計算を行って、温度、圧力、ボイド率等について合理的な計算結果が得られている。来年度以降、さらに改良し、計算を行う予定である。
実験については、新たにキャビティ内の温度変化等を計測できるキャビテーション・タンネルを設計し、製作した。作動流体として、高温水、フロン、流体窒素の3液体について検討し、実験の精度、容易さ、環境に与える影響等を考慮し、高温水を選んだ。新しいタンネルの仕様は下記の通りである。
試験部寸法:断面=20mm×30mm 長さ=330mm
試験部最大圧力及び温度:500kPa,140℃
試験部流量:0.25〜0.5m^3/min(約7〜14m/s)
本タンネルは本年度末に完成し、来年度より実験を行う。

Research Products

• [Publications] H.Kato,H.Kayano & Y.Kageyama: "A Consideration of Thermal Effect on Cavitation Bubble Growth" Cavitation and Multiphase Flow 1994,ASME. FED-194. 7-14 (1994)
• [Publications] H.Kato: "Recent Advances in Cavitating Foil Research" Proc.Int.Conf.on Hydrodynamics,Wuxi,China. 1. 80-89 (1994)