2019 Fiscal Year Annual Research Report
Study of evaporative-cooling and freezing processes of liquid droplets in vacuum by developing spectroscopic approach to temperature measurement
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17K19107
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
寺嵜 亨 九州大学, 理学研究院, 教授 (60222147)
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| Project Period (FY) |
2017-06-30 – 2020-03-31
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| Keywords | 液滴 / 水 / 真空 / 蒸発冷却 / ラマン散乱 / 温度測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
最終年度には、水液滴の実験を小さなサイズに推し進めた。従来の液滴径50～70ミクロンに対して、さらに小さな液滴発生ノズルを導入し、30ミクロンまでの実験を行った。その結果、これまでに構築した水の蒸発冷却過程の数値シミュレーションで予想したように、30ミクロンの水液滴が50ミクロンよりも約1 ms早く凍結することを実証した。また、凍結温度は約0.5 K低下することが明らかになった。これら実験とシミュレーションとが良い一致を示したことから、真空中の水液滴の熱力学過程を具体的に予測する手段を開発できたと考えている。なお、本研究の一連の成果について、国際学会招待講演２件、国際学会ポスター発表１件を行い、広く世界に発信した。
研究期間全体を通じた成果としては、特に次の事柄を挙げることができる。真空中の液滴研究に関して、我々は従来、比較的蒸気圧の低いエチレングリコールを対象に成果を上げてきたが、蒸気圧の高い水液滴の発生には大きな困難があった。この従来の問題を解決すべく、本研究において、独自の工夫で水液滴を真空中で安定に発生する手法を実現した。その結果、第１の目標であった凍結時間の測定について、発生から凍結まで僅か数ミリ秒の時間を、液滴径を30から70ミクロンまで変えながら測定し、小さな液滴ほど早く凍結する傾向を見出した。第２の目標とした凍結までの温度測定については、液滴からのラマン散乱スペクトルで評価する計画を立て、まず大気中の実験で参照スペクトルの測定までを達成したが、真空中での測定は今後の課題となった。そこで、代替手段として液滴温度を推定する数値シミュレーションの開発を進め、定説の無かった低温領域の比熱や均質凍結核形成速度を実験に基づいて決定し、信頼性の高い温度評価法を確立した。
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