Clarification of occurence mechanism of thermodynamic effect of cavitation by hot water experiment

2017 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 16H04263
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 伊賀 由佳 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (50375119)
• Project Period (FY): 2016-04-01 – 2019-03-31
• Keywords: キャビテーション / 溶存気体析出 / タンネル実験

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計測できていないため，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．
研究2年目である平成28年度は，初年度に溶存空気量制御装置の増設を行った高温高圧水キャビテーションタンネル実験設備を用い実験を行った．溶存空気量制御装置は当初，溶存空気量一定運転が可能になるように設計を行ったが，溶存空気量の低下側の制御はできたが，圧縮空気を送り込むノズルが上手く作動せず，溶存空気量の増加側の制御ができなかった．しかしながら，キャビテーション運転時に変化する溶存酸素量をその場計測することができるため，今年度は，2つの異なる形状の物体に同体積で，非定常性の異なるキャビテーションを発生させ，溶存酸素量の低下速度を比較した．その結果，非定常性の強いキャビテーションの方が，溶存酸素量の低下速度が大きいことが計測された．これにより，溶存空気の析出に，流れ場の非定常性が寄与すことを実験的に示すことができた．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

溶存空気量制御装置による溶存酸素量一定運転はまだできない状況ではあるが，本年度，溶存酸素量計測実験を実施し，非定常キャビテーション発生時の溶存酸素量の低下速度を定量的に得ることができた．このデータは世界的に見ても新しいデータであり，本研究課題の成果である．
また，当初の予定していた，キャビテーション核数計測装置の増設を，本年度も行えなかったが，キャビテーション核数計測に関して，先行研究を行っている防衛研究所やアメリカ海軍研究所の研究者らとの情報交換を通じ，本実験設備に最適な計測装置の検討を行っており，次年度にキャビテーション核数計測装置の増設を行うための準備を進めている．

Strategy for Future Research Activity

初年度に行った装置の改良として，メインループの加圧タンクの昇圧を，コンプレッサーの加圧による空気の溶解のために制御性が損なわれることを避けるため，ヘリウム押し方式へと改造したが，そこまでの高精度な制御性はそもそも達成できていなかった．そこで，研究最終年度となる次年度は，溶存空気量制御装置による溶存酸素量一定運転のための装置改良として，ヘリウム回収用タンクを転用し，加圧状態で飽和水を作成し，それをメインループへ注入することにより，溶存空気が時々刻々低下するキャビテーション運転中に，溶存空気割合が一定となるように制御できるよう，高温水タンネル実験設備の更なる改良を試みる．またこれと並行して，キャビテーション核数計測装置の増設を試みる．