2017 Fiscal Year Research-status Report
回転円すいを用いた遠心力場における高粘度液体の揚水遷移と液糸の生成メカニズム
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16K06066
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| Research Institution | Akita University |
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Principal Investigator |
足立 高弘 秋田大学, 理工学研究科, 教授 (60344769)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 回転円すい / 揚水 / 膜状 / 糸状 / レイリー・テイラー不安定性 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
円すいの頂角を下にして水に浸し回転させることで，円すいの外表面を液が上昇し，液膜が形成される．すなわち，回転する円すい体外表面には均質な薄い液膜流が形成され，液が安定的に揚水される．このとき円すい外表面の液膜には遠心力が加わるにも拘わらず液膜が飛散することはない．この薄い揚水液膜流は最終的には円すいの底部に固定した共に回転する円板に沿って微粒化して液滴となった後にミスト流として周囲に噴霧される．
一方で、噴霧される液の形態は，水の場合には液膜から微粒化し球形の液滴となるが，液体の粘性が水よりも大きな場合には糸状の形態で周囲に放出される．すなわち，液は遠心力の円すい壁面方向分力によって揚水されるが，粘度が大きくなると曵糸性の影響が強くなり，遠心力がわずかに大きな位置から離散的に糸を引くように円すい壁面を上昇し線条の形態で周囲に放出されると考えられる．
本研究では、ニュートン流体であるグリセリンを水に混ぜてグリセリン水溶液とすることで，水溶液の濃度を調整し、揚水が開始する回転数をグリセリン水溶液の粘度を変更することで調べた．粘度が水に近い場合には膜状揚水が発生し，粘度がグリセリンに近い場合には糸状揚水が発生することを明らかにした．粘度が水とグリセリンの中間値近傍では揚水の詳細はわからなかった．このような実験を円すいの浸水半径を変更して行った．円すいの浸水半径を変更させると液を揚水する遠心力が変わことになる．揚水のメカニズムは，遠心力場におけるレイリー・テイラー不安定性に関連すると考えられるが、それらの詳細については，引き続き実験を行って明らかにしていくことが必要である．これまでの研究成果を論文に纏めている．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では、グリセリン水溶液について，濃度を調整することにより揚水が開始する回転数を粘度の変化に対して調べた．粘度が水に近い場合には膜状揚水が発生し，粘度がグリセリンに近い場合には糸状揚水が発生することを明らかにした．ただし，粘度が水とグリセリンの中間値近傍では揚水の回転数が大きくなり，現在使用しているモーターの能力を越えたため詳細を調べることができなかった。高出力のモーターに変更することで引き続き実験を行っていく予定である． また，二年度以降は，揚水された放出流の特性について調べる予定であったが，モーターの変更等に時間がかかるため。やや遅れた状況にある．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，さらに粘度の大きな流体について揚水開始回転数を明らかにすることと，揚水された放出流の特性について調べる予定である．放出された液の形状は，粘度が比較的小さい場合には球状の液滴となるが，粘度が大きくなるにつれて曵糸性の影響から楕円球さらには液糸に変化していくと考えられる．そのような液滴の粒子径分布や液糸の直径分布や長さと空隙密度などの特性を明らかにする．また，ニュートン流体であるグリセリンだけでなく，非ミュートン流体である高分子流体についても同様の実験を行う予定である．
実験の中で，粒径分布や最大粒径などの噴霧特性は回転速度や供給する液の流量によって変化すると考えられる．また，円すい表面の性質(撥水性や親水性)によっても，必要な回転速度等が変化して生成されるミストの粒子径分布等に影響を与えることが予想される．そこで，円すいの外表面に撥水剤や親水剤を塗布することにより表面の性質を変更したり，回転速度や流量および円すいの半径や頂角の大きさを変更することで放出される流れの統計的特性への影響を明らかにし，それらの間の相関を求める．円すいの回転速度や流量はミスト生成に必要な動力に関係し，円すいの半径や頂角は装置のサイズに関係すると考えられる．また，円すいの表面の性質は液滴や線条塊の粒子径等に関係すると考えられる．したがって，それらの間の相関を明らかにすることは，コンパクトで消費動力が少なく手軽に放出流の特性を調節できる新しい微粒化・線条化の生成機構を設計する際に有益な情報となる．
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| Causes of Carryover |
二年目は，レーザー回折散乱式粒子分布計測装置を用いて，本研究で提案する液体の微粒化および液糸化機構を用いて生成される放出流の特性(糸の長さや幅あるいはそれらの分布のばらつき等)を明らかにする予定でいたが，揚水開始回転数の測定実験に時間を費したため，特性に関する実験に着手できなかったため，次年度使用額が発生した．
放出流の特性を調べるための効率的な計測方法を検討し，その装置購入費用とすることを計画している．
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