キャビテーションを伴う高速度水中水噴流のCFD解析とノズル設計

2007 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18560173
• Research Institution: Toyama Prefectural University
• Principal Investigator: 彭 國義 Toyama Prefectural University, 工学部, 助教 (90295527)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 藤川 重雄 北海道大学, 大学院・工学研究科, 教授 (70111937)
• Keywords: 流体工学 / 数理工学 / キャビテーション / 可視化

Research Abstract

本研究では,機械加工や汚水処理を始めとしてさまざまな産業分野で利用されている水中ウォータージェットについて,これら加工や処理の主要機構であるキャビテーションを考慮してジェット流れを解明するために,キャビテーションを伴う水中ウォータージェット流れの実用的なCFD解析法を開発し,ジェット噴流のオリフィスノズルとベンチューリノズルにおけるキャビテーション流れのシミュレーションを行った.キャビテーション流れを低圧縮性の液体と高速で膨張・縮小するキャビテーション気泡の混合流と見なして圧縮性混合流気泡キャビテーションモデルを提案し,Rayleigh-Plessetの式により気泡の膨張・収縮を評価し,液体と気体の状態方程式から気液混合流の圧力と密度を関係付け,混合流手法よる気泡キャビテーション流れのCFD解法を確立した.改良CIP-CUP法に基づく予測子修正子分離解法を採用し,ほとんど非圧縮性の液体流れと高圧縮性のキャビテーション気泡流を同時に計算する困難を克服した.
提案された圧縮性混合流気泡キャビテーションモデルをオリフィスノズルにおけるキャビテーション流れに適用し,実験結果との比較により数値計算の妥当性を検証した.さらに,高速度水中ウォータージェットによく使われているベンチューリノズルの噴流特性に着目し,物体適合座標系で複雑領域におけるキャビテーション流れの計算コードを開発してジェット噴射圧力,キャビテーション数およびベンチューリノズル幾何形状(収縮・拡大角度)の影響を調べた.