2017 Fiscal Year Annual Research Report
IRサーモグラフィ/PIVを駆使した液滴内の熱的不安定性対流の物理解明
| Project/Area Number |
17J05137
|
|---|
| Research Institution | Kyushu University |
|---|
Principal Investigator |
喜多 由拓 九州大学, 工学府, 特別研究員(DC2)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2017-04-26 – 2019-03-31
|
| Keywords | 液滴 / 相変化 / 対流 / マランゴニ対流 / 濡れ性 / MEMS / IRサーモグラフィ |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
平成29年度は，赤外線（IR）サーモグラフィと粒子画像追跡を用いて微小液滴の内部対流の温度場・流れ場の測定・比較考察を行った．具体的には，レーザーを用いて撥水加工された銅基板上で10μLの水を局所加熱し，液滴表面および内部での渦対流の発生を発見した．液滴の温度分布および液滴形状を計測し，無次元マランゴニ数およびレイリー数を比較した．その結果，発生した渦対流は，局所加熱によって生じた液滴の表面張力勾配に由来するマランゴニ対流であったことが分かった．さらに加熱を継続すると渦および液滴温度が振動する不安定性現象も確認した．高速フーリエ変換による振動解析の結果，これは非平衡状態の表面張力による「熱キャピラリ不安定性」の一種であることが分かった．さらに加熱量・加熱位置を変化させることで流動様相を容易に制御できることを示した．これらの実験から熱的対流の発生条件を明らかにし，当該分野の有力誌であるアメリカ物理学会のLangmuirに本成果を発表した．水におけるマランゴニ対流の直接観察は世界的にもこれまでほとんど例がなく，本発見は当該分野における学術的寄与が期待される．
本研究は英国エジンバラ大学および米国メリーランド大学との国際共同研究であり，本年度はさらに，本特別研究員がエジンバラ大学に半年間滞在し，本研究課題の発展的分野として濡れ性を制御した面での液滴挙動に関する実験を実施した．帰国後に同大で実施した実験データを解析し，論文としてまとめつつある．さらに平成30年3月には長崎で開催された第10回国際沸騰凝縮伝熱会議（ICBCHT2018）において，その成果を発表し，Best Poster Presentation Awardを受賞するに至った．
本研究で得られた知見は，Lab-on-a-chipに代表されるマイクロ流体デバイスにおける液滴輸送・攪拌・混合プロセスの大幅な向上に寄与する．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本年度は，当初の本研究課題の核である，水におけるマランゴニ対流の発生を実験的に初めて観察し，その発生条件を解明し制御方法を確立した．
さらに当初の研究計画を拡張し，本特別研究員がエジンバラ大学にて，濡れ性制御による液滴操作について実験を行い，これも着実に解析を進めている．以上のことから，本研究課題の目的は着実に遂行されているとともに，さらなる発展課題への取り組みにも着手しており，当初の計画以上に進展していると評価する．
|
| Strategy for Future Research Activity |
現在，エジンバラ大学で行った実験のデータ解析を進めており，論文としてまとめつつある．また，局所加熱された液滴の挙動についても，表面濡れ性（または接触角）による影響を調べるための実験を計画している．さらに直接数値流体計算を用いた液滴内部対流のシミュレーションを含めた理論的検討への発展も視野に入れており，液滴の濡れおよび対流のモデル化を目指す．
|
