2016 Fiscal Year Annual Research Report
高温水キャビテーション実験による熱力学的効果発現機構の解明
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16H04263
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
伊賀 由佳 東北大学, 流体科学研究所, 准教授 (50375119)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | キャビテーション / 熱力学的効果 / 寸法効果 / 溶存酸素 / 核 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
先行課題では，高温高圧水キャビテーションタンネル実験において，主流温度を上昇させる際にレイノルズ数一定となるように主流速度を減速させることにより，寸法効果をある程度排除できたが，完全には除去できてはいなかった．寸法効果は，作動流体中の析出した溶存空気やゴミ，物体表面の僅かな凹み等が核となり（以降，キャビテーション核と呼ぶ），流動の局所的せん断や引張り等による力学的刺激によりキャビティ気泡が発泡する頻度が，レイノルズ数の上昇またはキャビテーション核の増加に伴い増えることによるものと考えられているが，先行実験では，常温状態での溶存気体量は制御できているが，昇温後の溶存気体量は計測できておらず，さらに主流中のキャビテーション核数もカウントできていないため，完全には寸法効果を消し去れていない．そこで本研究課題では，作動流体中の溶存気体量の制御と，キャビテーション核数のその場計測を行えるよう，実験設備を改良する．
初年度は，先行課題で建設した高温高圧水キャビテーションタンネル実験設備に対し，溶存空気量制御装置の増設を行った．溶存空気の飽和度は高温高圧状態では計測できないため，メインループからバイバスし，一旦，降温した後，計測し，昇温してメインループへ流体を戻すようにした．溶存空気量は溶存酸素量を計測することにより推定し，溶存酸素量をモニタリングしながら，飽和度を上げる際には圧縮空気を供給し，下げる際には脱気膜を通すことにより制御する．また，メインループの加圧タンクの昇圧を，これまでコンプレッサーを用いて行っていたが，そこでの空気の溶解は制御の妨げとなるため，ヘリウム押し方式へと改造した．これらの増設，改造により，主流の広範な加減圧および温度変化を伴うキャビテーション実験時に，溶存空気量を一定とする制御が行えるようになった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
初年度，溶存空気量制御装置の増設のほかに，キャビテーション核数計測装置の増設を予定していたが，予算不足のため，次年度へと計画を伸ばした．これは，溶存空気量制御装置に制御精度を上げるための工夫をいくつか追加したことにより，その費用が当初見込みを上回ったためである．次年度は，当初予定していたキャビテーション核数計測装置は購入できないため，手作りの計測装置を検討する．
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度は，まず，初年度に増設した溶存空気量制御系の試験を行う．制御を行わず運転し，非定常キャビテーションであるシートクラウドキャビテーションと，定常キャビテーションであるスーパーキャビテーションで，溶存空気の析出の計測感度を検証する．
次に当初，初年度に予定していたキャビテーション核数計測装置の設計と増設を行う．キャビテーション核数の計測方法のうち，予算の都合から，流路をバイパスし増設するベンチュリ型の採用を考えている．
次に，本タンネルにおける溶存茎飽和度とキャビテーション核数の関係を調査する．キャビテーション核分布は溶存空気量の増加に伴い，べき乗の関係を保ったまま増加することが知られている．本タンネルにおいても，各主流温度において溶存空気量を変化させ，そのべき乗の関係を求め，後の実験での核の制御に用いる．キャビテーション数を一定とする場合，高温ではより高圧となるため，飽和度増加による析出と，加圧による溶解のバランスで核の数が決まるため，常温での計測のみではなく，各主流温度で核分布を計測しておく．
次に，中低温水でのキャビテーションの熱力学的効果の抽出を試みる．先行課題では，キャビテーション核を一定にできなかったことにより，完全には寸法効果を除去できていなかった．本課題では，30℃と70℃の水において溶存空気量のコントロールによりキャビテーション核数を一定とし，完全に寸法効果を除去した条件で，熱力学的効果の抽出を試みる．核の分布自体が同等となる溶存空気量が無い可能性もあるため，その場合は仮定した臨界半径を基準として，核の数が等しくなるような条件設定を行うこととする．の割合が一定に制御可能かどうかを検証する．
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