多孔質内水平気液二相流における気泡立体構造の可視化

2016 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 15K13892
• Research Institution: Fukuoka Institute of Technology
• Principal Investigator: 高津 康幸 福岡工業大学, 工学部, 准教授 (00253550)
• Project Period (FY): 2015-04-01 – 2018-03-31
• Keywords: 多孔質 / 気液二相流 / 可視化

Outline of Annual Research Achievements

従来の気液二相流の可視化では、透過光が用いられてきた。しかしながら、透過光による可視化では、定性的な流動パターンは大まかに確認できるものの、原理的に気泡の立体構造の情報が欠落することになる。
平成27年度は、次のような光の波長の違いを利用した気泡断面画像の可視化法を新たに提案した。(1)蛍光色素であるローダミンB を注入し、液相を蛍光できる状態にする、(2)レーザーシート光（波長532 nm）を照射した場合、気液界面でハレーションは生じるものの、液相のみオレンジ色（波長は約590 nm）に蛍光することになる、(3)シャープカットフィルター（例えば、560 nm 以下）を用いて、気泡部分の波長の光を遮光すれば、気泡幾何形状が抽出されることになる。単一気泡の実験では、シート光入射面の気泡外周に相当する領域に筋模様が生じ、気液界面が判別可能となり、本可視化法が単一気泡の立体構造を抽出する上で原理的に有効であることを確認した。
平成28年度は、ボイド率測定など定量的測定が可能になるように、可視化法の改良を試みた。前年度において、片側からレーザーシート光を照射する際、射出側では減光し遮光領域が生じ、気液界面の判別は困難であったが、両側からシート光を照射することにより、この問題を解決した。さらに、シート光を通過する際の気泡後半部分においては前半の気泡自体がレンズの役割を果たすため，気液界面の判別が困難となる問題が生じていたが、メッシュを介してシート光を照射することにより、気液界面を明瞭化する方法を考案した。

Current Status of Research Progress

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

Reason

平成27年度においては、本研究で提案する“光の波長の違いを利用した気泡断面画像の可視化法”は、単一気泡の立体構造を抽出する上で原理的に有効であることを明らかにしたものの、気泡界面判別における問題点も明らかになった。例えば、シート光を片側から照射した場合、遮光領域の幅が気泡径と一致するため気液界面を判別する際の一助となるという特性を見出したものの、遮光領域が生じるシート光射出側では気液界面の判別は困難となることも判明した。この問題を解決するために、本年度は両側から異なる出力のシート光を照射することにより、気液界面を判別できるようにした。さらに、シート光を通過する際の気泡前半部分では気液界面の判別は容易であったものの、後半部分においては前半の気泡自体がレンズの役割を果たすため、気液界面が実際よりも縮小されて観察されるとともに、シート光の写り込みが気液界面の判別を困難にすることも判明した。そこで、メッシュを介してシート光を照射することにより、メッシュによってもたらされる縞模様が気液界面で不連続になるという特性を用いて、気液界面を明瞭化するという方法を考案した。さらに、狭い隙間内に円柱群を千鳥配列したHele-Shaw 円柱群を多孔質構造体に模擬し、気泡流に対して本可視化法を適用した。二値化処理により気相面積（瞬間ボイド率）を算出し、瞬間ボイド率の時系列変化から気泡の挙動を検討している。
可視化の精度を向上させるためにまだ課題はあるものの、研究目的を達成する上で、研究はおおむね順調に進展している。

Strategy for Future Research Activity

本可視化法から得られた画像に対して二値化処理を施し、気相部分を抽出することにより、低クオリティ領域での現象について検討することが可能となった。今年度は、クオリティならびに液相基準レイノルズ数を変化させ、多孔質内気液二相流の流動状況を検討していく。特に、内部固体が存在することによってもたらされる多孔質構造体特有な気泡の変形あるいは合体・分裂などに着目していく。可視化法に関して、気泡がシート光を通過する際の気泡後半部分において気液界面が不明瞭になるという問題は解決したものの、前半の気泡自体がレンズの役割を果たし縮小されて観察されるため、ボイド率測定など定量的測定に問題が生じる。そこで、単一気泡を両側から撮影することにより縮小率を測定し、気泡の縮小に対する補正法について検討していく。また、気泡群に対して本可視化法を適用したものの、レーザーシートは気泡透過後にレーザー強度が減衰するため、現時点では芳しい結果は得られていないが、引き続き検討していく。気液二相流のモデリングにおいては、局所体積平均という概念が用いられ、気泡に作用する抗力などを局所体積平均の発散定理から導出する試みがある。しかしながら、この発散定理に関してはいくつかの疑問（微分可能、圧力補正）も投げかけられている。そこで、気液二相流のモデリングに資するために、局所体積平均の発散定理について原理的に検討していく。

Causes of Carryover

消耗品を購入するにあたり少額の余りを生じた。

Expenditure Plan for Carryover Budget

消耗品購入に充てる予定である。