2017 Fiscal Year Research-status Report
減圧環境下における微小液滴の加熱面衝突時局所熱伝達特性に関する研究
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16K14166
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
畠中 龍太 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主査 (80725333)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
田川 義之 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (70700011)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | ライデンフロスト / 気泡核生成/成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目標は、減圧環境下において噴霧冷却に用いられる100ミクロン級の液滴を加熱面に衝突させた場合の液滴挙動と壁面からの除熱率を評価することであるが、まずは現象の全体像を把握するため、直径2mm程度の液滴を加熱面に衝突させて高速度ビデオ撮影を行ってきた。
平成29年度は、前年度に識別された特異な減少に関して更なる評価を行うために装置改良・手順見直しを行い、2種類の衝突速度(0.1m/sおよび0.46m/s)に対して、壁面温度60～250℃、圧力1～100kPaの範囲で網羅的なデータ取得を行った。5kPa以下の領域では、壁面温度が付着(Deposition)領域より僅かに高い条件において、大変形を伴いつつ衝突初期速度の数倍の速度で跳ね返る挙動(magic carpet breakup)を示し、壁面温度上昇に伴って変形や速度変化が徐々に小さくなり、最終的には一般的な跳ね返り(Rebound)領域に遷移することがわかった。また、古典的な気泡核生成/成長モデルを導入して壁面への接触後の気泡核生成時間と気泡成長速度を予測し、それを液滴の運動と関係付けるモデルを提案し、1)気泡破裂までの時間が実験と良く一致すること、2)予測される気泡破裂エネルギーがある閾値（環境圧力によらず一定）を下回ると一般的な跳ね返り(Rebound)領域に遷移すること、の2点を確認した。気泡破裂エネルギーを精度良く評価するために、気泡内部温度の予測するための熱力学モデルの構築を進めている。なお、本成果に基づいて講演論文1本は投稿済み（査読中）、学術論文1本を執筆中の状況である。
今後は実験パラメータの追加（液滴径・加熱表面の物性/表面状態など）および計測手法の改善（壁面温度計測、2方向同時撮影など）により実験データを充実させ、モデル検証および高精度化を進めていきたい。
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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
当初計画では研究終了時までに実験結果（特に環境圧力の影響）を説明し得る物理モデルを構築する計画となっていたのに対して、実績概要欄記載の通り、直径2mm程度の液滴を用いた実験によって圧力・温度・衝突速度をパラメータとした相図を作成し、本研究により新たに識別された減圧環境特有の液滴挙動(magic carpet breakup等)の発生条件を整理することに成功した。更に、気泡核生成/成長モデルと液滴運動を関連づけた新たなモデルを考案し、その解析結果が実験結果とよく一致している等、理論的な考察も着実に進捗している。研究成果は講演論文1本を査読中、学術論文1本を執筆中の状況である。本項目については当初計画通りに進展していると考える。
一方、当初計画よりも遅れているのは、(1)100ミクロン級液滴を用いた実験と、(2)高密度/高応答熱電対アレイの試作に関する部分である。(1)は液滴生成装置の自作を試みていたが課題を多く抱えており、100ミクロン級の連続液滴を射出する既存装置を応用して単一液滴のみを取り出す方針に転換して準備を進めている。(2)はFY28に抱えていた課題（厚膜メッキの濡れ性）は解決したものの、熱電対アレイとして機能させるには至っていない状況である。理論的考察の結果、必要とされる仕様もより明確になってきたため、学術的成果を得られる範囲で測定点数を絞り込む等、期間内に実現可能な形で設計の見直しを進めている。
以上より、全体として概ね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
研究代表者は今年10月下旬までの期間においてDarmstadt工科大学(ドイツ)のTropea教授の下に滞在して本研究を実施中であり、理論・実験両面で多大な支援を受けることができている。研究代表者自身もドイツ滞在中は本研究に集中できる状況であることから、着実な進捗が期待できる。
また、研究分担者はNanyang工科大学のTran教授と液滴衝突・液滴制御に関する共同研究を進めており，着実に成果を得ている。今後、論文を執筆する予定である。
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| Causes of Carryover |
（理由）
平成２９年度中に熱電対アレイの試作を行う予定であったが、試作段階で技術課題に直面し、その解決に時間を要した。また、2017年10月からダルムシュタット工科大学への研究滞在を開始したため、熱電対アレイ試作やその他必要資材の購入は平成３０年度に延期することとした。
（使用計画）
次年度に繰り越した予算は、ドイツからの帰国後、熱電対アレイの製作費・実験必要資材の購入費として使用する予定である。
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[Presentation] High-speed micro-droplet impact on a super-heated surface2017
Author(s)
Fujita, Y., Tran, T., Tagawa, Y., Xie, Y., Sun, C., and Lohse, D.
Organizer
70th Annual Meeting of the American Physical Society Division of Fluid Dynamics
Int'l Joint Research
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