2018 Fiscal Year Research-status Report
Development of Taylor flow generator by making use of interface stabilization effect of surfactant
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17K06158
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
林 公祐 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (60455152)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
細川 茂雄 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (10252793)
冨山 明男 神戸大学, 工学研究科, 教授 (30211402)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 微細流路 / マイクロチャネル / 気泡 / 界面活性剤 / マランゴニ効果 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロ流路を用いたマイクロ反応器や微細構造生成装置の高効率化のため，高い気・液相流量におけるテイラー流(砲弾型(テイラー)気泡が並んだ流れ)の実現が望まれている．しかしながら，高流量では気泡分裂によりテイラー気泡が形成できない，気泡形状振動が大きい，という問題がある．本研究課題では，界面活性剤を利用して気液界面の力学的バランスを操作することで，高流量でも一様かつ安定なテイラー流を形成できる気泡生成器を開発することを目的として研究を進めている．本目的達成のため，以下の要素研究に分類して逐次進めてきたところである．(1)マイクロ流路内テイラー流制御の実証実験，(2)汚染系テイラー流の特性評価，(3)界面活性剤濃度分布の数値予測，(4)界面活性剤種類・気液合流部形状等の最適化．本年度は昨年度に引き続き，(1)テイラー流制御の実証実験を行うとともに，(2)汚染系テイラー流の特性，すなわち分裂特性・一様性・テイラーユニット長を計測するとともに，(3)界面活性剤濃度分布数値予測のための並列計算環境及び代表者が独自に開発してきた並列気泡計算コード群の整備を進めてきた．(1)について，界面活性剤（Triton X-100）を用いることにより，気泡分裂のタイミングを変えてテイラーユニット長を数十%変化させられること，界面の振動を低減し，清浄系では非一様となる高流量でも一様性の高いテイラー流が形成できることを実証した．また，(2)テイラー流特性を詳細に調べたところ，テイラーユニット長変化の傾向は分裂モードによって全くことなることを発見した．さらに，幅広い界面活性剤濃度において実験を行うことで，本特性を表面張力変化とマランゴニ力から説明した．(3)並列環境の整備は順調であり，単一気泡シミュレーションによる検証はほぼ終えている．
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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
【研究実績の概要】に記載した通り，2018年度は(1)界面活性剤を用いることにより，気泡分裂のタイミングを変えてテイラーユニット長を数十%変化させられること，界面の振動を低減し，清浄系では非一様となる高流量でも一様性の高いテイラー流が形成できることを実証し，(2)テイラー流特性を詳細に調べ，テイラーユニット長変化の傾向は分裂モードによって全くことなることを発見するとともに，幅広い界面活性剤濃度において実験を行うことで，本特性を表面張力変化とマランゴニ力から説明し，(3)並列環境の整備を整備して単一気泡シミュレーションによる検証はほぼ終えている．これらの実施内容と成果は，2018年度の当初研究計画に沿ったものであり，期待していた効果が確認できたことと，また期待以上の学術的に興味深い実験データが得られた．よって，順調に進展していると判断した．
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| Strategy for Future Research Activity |
【現在までの進捗状況】に記載の通り，これまで順調に研究を進められている．そこで，2019年度も当初計画に沿って，数値計算の推進，実験においては界面活性剤を変更した検討，また計算と実験の両面からテイラー流生成器としての最適条件の検討を実施する予定である．2019年度は最終年度となるので，成果のまとめと公表についてもさらに推進していく．
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| Causes of Carryover |
微細流路の実験では，一般に，流路の加工精度や表面状態が結果に影響を及ぼす可能性が高い．そのため，実験装置の構築・運用においては，非常に丁寧な再現性の検証が必要となる．これまでの実験よりもさらに微細流路幅を小さくした装置の製作を進めるにあたり，これまでに得られた成果を踏まえて慎重に実験条件・装置設計を行ったため，本流路製作については年度をまたぐこととなった．本条件については2019年度早期に継続して速やかに実施する予定であり，学術的・工学的価値の高い成果が得られるものと考えている．なお，本件による全体の当初研究計画に対する影響は軽微である．
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