2016 Fiscal Year Annual Research Report
位相反転膨張波により実現される液体の準安定状態とキャビテーション初生の動力学
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16H04270
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
高比良 裕之 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80206870)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小笠原 紀行 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00552184)
藤川 重雄 北海道大学, 工学研究院, 名誉教授 (70111937)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 流体工学 / キャビテーション初生 / 気泡 / 相変化 / 準安定状態 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
集束超音波の焦点近傍に生成したレーザ誘起気泡に，圧力振幅をコントロールした集束超音波を照射し，集束超音波がレーザ誘起気泡の界面で後方散乱する際の，キャビテーションの初生とその後のキャビテーションクラウドの成長を，高速度ビデオカメラを用いて可視化するとともに，光ファイバー・プローブ・ハイドロフォンにより圧力計測した．その結果，以下の知見が得られた．(1) レーザ誘起気泡界面から初生位置までの距離は，気泡崩壊の特性時間と超音波の伝播の特性時間の比と相関があり，その距離は，集束超音波の波長の0.05～0.3倍である．このことは，Ghost Fluid法による数値解析結果とも符合している．(2) 超音波の後方散乱による圧力の実測に成功し，キャビテーションクラウド先端の界面近傍において強い負圧域が形成されていることが確認された．キャビテーション初生時には後方散乱により-30MPa程度の負圧が観測された．(3) レーザ誘起気泡の生成位置を焦点から超音波の伝播方向へ変位させるにつれてキャビテーションクラウドの高さは高くなり，超音波の伝播と逆方向へ変位させるにつれてキャビテーションクラウドの高さは低くなる．すなわち，キャビテーションクラウドの先端位置が焦点に近くより強い音圧域にあるときほど，その成長速度が速くなる．(4) 集束超音波の焦点からキャビテーションクラウドの先端までの距離は，レーザ誘起気泡の生成位置に依らずほぼ一定値を取る．すなわち，キャビテーションクラウドが成長できる領域は入射波の正圧分布により規定される．
非平衡蒸発ならびに凝縮を考慮して，球形気泡の成長モデルを構築し，非平衡相変化が，気泡の成長に及ぼす影響を検討した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
光ファイバー・プローブ・ハイドロフォンを用いた，気泡界面での集束超音波の後方散乱時の圧力測定に成功し，およそのキャビテーション初生圧力を見積もることができた．また，キャビテーションクラウドの成長を詳細に観測した結果，クラウドの成長が止まった時のクラウド先端と集束超音波の焦点との距離は一定であることがわかった．このことから，クラウド先端位置での圧力を測定することにより，キャビテーション初生圧力を評価できることがわかった．また，キャビテーション気泡核の成長モデルを構築した．
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| Strategy for Future Research Activity |
前年度に引き続き，蒸留水中での集束超音波のレーザ誘起気泡界面での後方散乱に起因するキャビテーション初生圧力の計測とキャビテーションクラウドの成長の可視化を継続する．特に前年度得られた，「キャビテーションクラウドの成長が止まった時のクラウド先端と集束超音波の焦点との距離は一定である」という知見を用いて，クラウド先端位置での液体圧力を計測することにより，キャビテーション初生圧力を算出する．この方法で求めた初生圧力と，レーザ誘起気泡近傍のキャビテーション初生位置での液体圧力との比較により，キャビテーション初生圧力を決定する．また，周囲温度を変化させた実験およびグリセリン水溶液を用いた実験により，キャビテーション初生圧力の温度ならびに粘性の依存性について検討する．さらに，キャビテーション初生圧力における均質核生成に必要なエネルギー障壁を用いて，スピノーダル圧力の算出を試みる．
数値解析においては，Ghost Fluid法を用いて超音波の後方散乱による圧力場を算出する．その際，超音波の散乱体として，球状の気泡のみならず，実験で得られたキャビテーションクラウドが球状の気泡表面に成長した状態を想定したシミュレーションを実行し，クラウドが成長しない限界位置での圧力を求めて，実験で得られたキャビテーション初生圧力と比較する．
あわせて，気泡核成長モデルを用いて，上述の実験により算出された臨界半径を有する気泡核の成長を予測し，実験と比較検討する．その際，実験で計測された圧力履歴を用いて，気泡核の成長に及ぼす非平衡相変化および粘性の影響を調査する．さらに，気泡の並進運動を考慮した球形気泡の運動方程式を用いて，流れ場中での気泡核の成長をシミュレートする理論モデルを構築する．
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