複合レーザイメージングによる気泡乱流中の熱・物質移動現象の構造解明

2000 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11450088
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 菱田 公一 慶應義塾大学, 理工学部, 教授 (40156592)
• Keywords: レーザ計測 / 画像処理 / PIV / 気泡流 / 乱流

Research Abstract

気泡を含む流体の乱流中での移動現象は乱流スケールなどの多重化が起こり,従来の相似則的な取り扱いが適応できない複雑なメカニズムが存在する.それらの機構解明のために本研究では複合レーザイメージング技術を駆使し,詳細な実験データを得ることによって,実際の現象に促した精緻な物理モデルの構築する事を目途としている.昨年度の研究に引き続き,気泡を含む流れの微細構造の解明を目的として,周囲流体と気泡の持つマルチスケールの相互作用のメカニズムを明らかにした.
昨年度に完成させた一様剪断流路を用いた流動構造の実験を継続して行った.実験手法は昨年度と同様で,高速度ビデオカメラを用いた粒子画像流速計と,気液界面の乱反射による問題を回避するために,蛍光発光をするトレーサ粒子(以下,蛍光粒子と記す)を作成して用いた.また時系列で変化する気泡の形状と周囲流の相関を得るため,赤外線LEDを用いて気泡形状を投影図として捕らえる方法を採用した.さらに計測システムを気泡の運動と連動させるラグラジアン計測を行い,気泡の揺動の機構およびその際に気泡に加わる揚力の詳細が明らかにされた.一方,管内乱流中での気泡間の相互干渉と連続相の乱流構造変化を明らかにする目的で,矩形管内に1-2mm程度の気泡を多数添加し,同様の手法を用いて実験を行った.その結果,壁面近傍の局所ボイド率が高くなり,壁面と気泡との相互作用により強いせん断が生じ,壁面近傍の流れ方向平均速度が単相のときよりも増加することが確認された.またこのとき,壁面付近の局所ボイド率の増加に伴い管中央に局所ボイド率の低い領域が存在し,この領域では乱流強度に対する気泡の影響が小さいことがわかった.これらの現象は,気泡近傍の乱流エネルギ分布の変化に対応づけられ,メゾスケールの現象が流動場に与える影響が実験的に明らかにされた.

Research Products

• [Publications] 藤原暁子,段本由紀,菱田公一,前田昌信: "一様せん断流中における単一気泡の挙動(PIV/LIF/ISTによるラグランジアン計測)"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. (2001)
• [Publications] 藤原暁子,高橋幹,菱田公一: "管内気液2相乱流の微細構造"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. (2001)
• [Publications] Akiko FUJIWARA,Akira TOKUHIRO,Koichi Hishida and Masanobu Maeda: "FLOW STRUCTURE AROUND RISING BUBBLE MEASURED BY PIV/LIF (EFFECT OF SHEAR RATE AND BUBBLE SIZE)"Proc.of 4th International Conference on Multiphase Flow. (2001)
• [Publications] Akiko FUJIWARA,Tsuyoshi TAKAHASHI,Akira TOKUHIRO and Koichi Hishida: "TURBULENT MICROSCALE STRUCTURE IN BUBBLY CHANNEL FLOW"Proc.of 4th International Conference on Multiphase Flow. (2001)