2017 Fiscal Year Annual Research Report
キャビテーション噴流による水中衝撃波の生成・制御に関する研究：舶用技術への新展開
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16H04600
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
阿部 晃久 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (50221726)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
西尾 茂 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (30208136)
藤本 岳洋 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (60314514)
三村 治夫 神戸大学, 海事科学研究科, 教授 (90190727)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 流体工学 / キャビテーション / 衝撃波 / 混相流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
衝撃波の応用研究は、幅広い分野で推進されており、様々な応用活用技術が確立されているが、我国の経済や産業の基盤を支える海事分野では、衝撃波を活用した技術の開発事例は見られない。本研究では、海事産業における新たな衝撃波活用技術の創出を目的として、キャビテーション噴流による衝撃波の生成に着目し、水中衝撃波の効果的な活用を促すための制御技術を確立することを目的としている。本研究成果は、主にバラスト水処理、船底付着生物除去などの海事分野の諸問題を解決する技術に直結し、新規の応用技術の創出に繋がると考えられる。
平成29年度計画は、実験装置を整え、一定水圧の下、ノズル内に装着するオリフィス板の穴径をパラメータとして、キャビテーション噴流によって生じる気泡群分布の挙動の違いを観測するために、可視化観測、単一および複数噴流の気泡群の形状、生成される気泡サイズ、気泡の寿命、気泡運動によって誘起される衝撃波の生成位置と生成周期について調査すると共に、圧力計測によって圧力変動の時空間変動を捉えることであった。本実験で使用しているポンプの最大水圧8 MPaの一定条件の下で、穴径が1 mm以上の場合、噴流流速の低下とともに衝撃波の発生がほとんど見られなくなり、穴径が1 mm以下になるとポンプの負荷が上がり、連続運転に支障が現れた。以上より本実験システムにおいてオリフィス板穴径は直径1 mmが安定して寿命の長いキャビテーションが生成され、衝撃波の発生頻度も大きくなる結果が得られた。キャビテーション噴流の形成メカニズムを検討するために、２次元的流路モデルを作成し、可視化実験を実施した。２次元的キャビテーション噴流の流れ構造においても３次元流れ場における噴流構造と相違がないと考えられ、衝撃波が生成される流れ領域は、キャビテーション噴流の気泡群の外側に位置し、噴流中心軸上での発生頻度は低いことが確認された。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
平成29年度計画は、実験装置の性能試験および性能評価および実験条件の確認であった。平成29年度の研究計画に対し、本実験システムにおけるオリフィス板の穴径の最適条件を同定し、２次元的噴流を用いた流れ場の構造解析を実施できたが、付着物の除去や殺菌効果についての実験について着手できておらず、実験遂行面で若干遅れが生じた。しかしながら、研究成果としては、国際会議で4件、国内学会において1件の発表を行うことができた。
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| Strategy for Future Research Activity |
キャビテーション噴流を用いた付着物除去に関する実験的検討について中心に実施する。実験装置を整え、一定水圧の下、穴径1 mmのオリフィス板を使用し、キャビテーション噴流による汚れや異物の除去効果を観測するために、可視化観測、生成される気泡サイズ、気泡の寿命、気泡運動によって誘起される衝撃波の生成位置と生成周期に関する検討や、圧力計測によって圧力変動の時空間変動を調査するとともに、噴流の入射角度やノズルと対象物体との距離などの関係を探る。可視化実験では、噴流周りの流れ場の観測において、PIVや時空間微分法を用いた定量化手法の検討を試みる。それらにより、キャビテーション噴流による衝撃波の生成メカニズムおよび衝撃波強さの評価、衝撃波生成条件の同定および強さに関する制御方法について引き続き検討する。また、単一噴流に対する条件について海洋菌体を用いた殺菌効果の検討も開始する。数値計算では、液体中に発生する衝撃圧の力学的変動を境界条件として、衝撃圧が金属やPMMAなどへどのような力学的影響を与えるのかについて有限要素法解析を実施し、弾性体内の波動現象についても引き続き検討を行う。
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