2017 Fiscal Year Research-status Report
Study on Surface-Tension-Convection Control Using Temperature and Electric Field
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17K06190
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
西野 耕一 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90192690)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 対流 / 表面張力流 / 不安定性 / 対流伝熱 / 熱ふく射 / 電場 / EHD解析 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1) 低Pr流体の温度差駆動液柱表面張力流を対象として、液柱表面からの熱ふく射を評価する数値解析手法を確立し、周囲気体流動を伴う気液二相流の数値解析に組み込んだ。それを用いて、熱ふく射および対流伝熱に起因する界面熱移動が顕著な微小重力データについて、液柱内部および周囲気体の温度場・速度場の予測が妥当に行えることを示した。特に、周囲環境へのふく射放熱によって、長い液柱の表面において表面温度が極小になり得ることを見いだし、温度差駆動の表面張力流における界面熱移動の影響の重要性を明らかにした。
(2) 温度差駆動液柱表面張力流の不安定性出現の特徴である気液界面の動的変形について、地上実験による特性の把握を進め、動的変形の振幅と表面伝播の測定、IRカメラによる表面温度測定、PIVによる内部流動測定、冷却ディスク温度への依存性の把握などを進めた。ディスク径4mmの2cStシリコーンオイルの液柱において、臨界温度差の1.4倍で動的変形の特性が不連続に変化し、液柱内部流動や表面温度の振動特性が変化することを明らかにした。また、気液界面の動的変形の測定を主目的とした微小重力実験のデータを解析し、実験成果の公表を進めた。
(3) 地上実験において、温度差表面張力流が生じている懸架液滴に電場を印可することによる効果を調べた。直径5mmの下向きディスクに懸架された5cStシリコーンオイル液滴では、直流電圧600Vを印可すると表面張力流が消失する（あるいは、大幅に弱まる）現象を見いだし、印可電圧および温度差への依存性を系統的に調べた。電場印可の影響を数値的に把握するため、液柱表面張力流を対象としたEHD解析の方法を開発し、過去の小型ロケット実験の結果との比較を行った。
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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
平成29年度の研究計画に対して以下のような進捗状況にあり、概ね順調に進展している。
(1) 地上実験による界面熱移動の影響の検討：界面熱移動が温度差駆動表面張力流に与える影響を調べるため、シリコーンオイル液柱を対象とした地上実験を行った。冷却ディスク温度を変化させ、液柱気液界面の動的変形特性を測定した。本年度は液柱周囲気体流動の付与は行わなかったが、構築した実験装置は鉛直上向き/下向きの気体流動を与えることが可能であり、次年度に気体流動が不安定性に及ぼす影響を明らかにする。
さらに、熱ふく射および対流伝熱による界面熱移動を定量化するため、気液界面を有する二相流の数値解析手法を確立した。液柱内部と周囲気体の温度場・速度場を求め、界面熱移動量を評価した。微小重力実験を対象とした数値解析によって、長い液柱では周囲環境への熱ふく射の影響が支配的になり得ることを明らかにした。界面熱移動量と不安定性との関係を考察し、界面熱移動量の影響を無次元パラメータで整理した。
(2) 宇宙実験データの解析：液柱気液界面の動的変形の測定を主目的とした微小重力実験のデータ解析を行い、シリコーンオイル液柱における界面熱移動と温度差表面張力流の特性（特に、対流不安定性の出現）を明らかにした。実験成果の公表を進めた。
(3) 数値解析による不安定性の解析：界面熱移動が不安定性に与える影響を数値解析的に調べる準備を進めた。市販の数値解析コードを導入し、ブリュッセル大学のShevtsova教授の協力を得ながら進めた。
(4) 懸架液滴における電位差表面張力流の特性の実験：温度差駆動の表面張力流に与える電場の影響を明らかにするため、加熱ディスク先端に懸架されたシリコーンオイル液滴に電場を印可し、対流の特性を調べた。電場強さと温度差への依存性を系統的に調べた。EHD解析の方法を開発した。
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| Strategy for Future Research Activity |
当初の研究計画に対して概ね順調に進展しており、今後も研究計画に沿った取り組みを推進する。具体的には以下の通りである。
(1) 界面熱移動に与える周囲気体熱伝導率の影響の検討：周囲気体の熱伝導率の影響を調べるため、微小重力実験データ（周囲気体：ArあるいはNe）を解析する。数値解析（但し、定常軸対称流）を行って界面熱移動量を定量化する。
(2) 界面熱移動の変化による温度差表面張力流の能動制御：得られた知見に基づいて、周囲気体流動を操作量として、温度差表面張力流とその不安定性の能動制御を試みる。制御による安定化・不安定化をマップ化する。
(3) 温度場と電場による連成表面張力流の実験：懸架液滴に温度場と電場を付与して表面張力流を発生させ、その特性を調べる。温度差は、対向下部ロッドの温度を変化させることで与える。数値解析の検証のためのデータを蓄積する。
(4) 電場印可の数値解析と検証：電場と表面張力の関係を市販の数値解析コードにユーザ関数として組み込むことによって、懸架液滴の表面張力流に与える電場の影響の数値解析を可能とする。実験結果を用いて解析結果を検証する。電場強さおよび温度差の影響を調べ、電極形状や配置についても検討する。(5) 温度場と電場による表面張力流の数値解析と検証：懸架液滴を対象として、電場と温度差によって駆動される表面張力流の数値解析を実施する。実験結果と比較検証する。(6) 電場の操作による表面張力流の能動制御：検証された数値解析コードを用いて、電場の制御による懸架液滴の表面張力流の能動制御を行う。温度場が存在する場合の電場の効果を調べる。
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Research Products
(5 results)
