2020 Fiscal Year Annual Research Report
Challenge to systematize vortex dynamics for process intensification technology to create innovative processes
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18H03853
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
大村 直人 神戸大学, 工学研究科, 教授 (50223954)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
増田 勇人 大阪市立大学, 大学院工学研究科, 講師 (90781815)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 渦動力学 / プロセス強化 / 機能構造 / 設計論 / 操作論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、「渦の動力学」を固体集積、混合・反応促進、粒子分級、物質輸送といった渦の持つ機能構造に着目し、化学工学的に体系化することを目的として、以下の４つの課題に取り組んでいる。
1)渦流動場の粒子集積過程の解明と放出制御能の探査では、撹拌槽内で孤立混合領域が生じる層流混合場での微粒子分散・凝集挙動について調査した結果から明らかとなった層流混合場における粒子径分布がバイモーダルとなる粒子凝集を、ポピュレーションバランスモデルを組み込んだCFDシミュレーションを用いて解析し、せん断凝集モデルを構築することに成功した。
2)渦内の混合・反応特性の調査では、昨年度まで液滴振動装置を用いて、振動周波数と振幅を変化させ、液滴内の循環流動パターンと混合過程を調べた結果を、粒子法による数値シミュレーションで得られた結果と比較し、その妥当性を検証した。粒子法による数値シミュレーション結果は定性的に液滴内の流動・混合現象を表現できることがわかった。数値シミュレーションの結果から、液滴内の循環流動が非定常に変化するとき、混合が急速に進行することがわかった。
3)円錐型テイラー渦流を利用した粒子分級では、CFDを用いて粒子分級現象を解析するために、数値解析のコード開発を行った。円錐型テイラー渦流で発生するヘリカル流動などを再現することができた。これを用いて実際に粒子の分級挙動を調査中である。
4）渦の移動による剥離および、物質輸送能の調査では、オーストラリアのRMIT大学、CSIROと撹拌槽内に付着するスケールの軽減に関する共同研究を行い、撹拌槽に設置したバッフルにおいて、バッフルと撹拌槽壁に隙間を空けることで、その隙部を流体が通過するときに発生する渦が撹拌槽壁に付着するスケールを軽減するメカニズムを、数値シミュレーションと超音波ドップラー流速計による速度計測で調査を行っている。
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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
課題1)においては、今年度得られたせん断凝集モデルに関する研究成果が、国際共著論文として、国際学術誌に掲載が決定した。
課題2)においては、粒子法による数値計算結果が妥当であることが確認できたことで、液滴内の流動・混合現象をより詳細に調べることができ、重要な知見が得られている。
課題3)においては、円錐形のテイラー渦流による研究は、多様な流動現象を数値計算により再現できるようになった。また、これと並行して円筒型のテイラー渦流の混相流動系での研究が進んでおり、実用研究へと展開している。
課題4）については、これまでの知見を基に、撹拌槽のスケール付着軽減に関する国際共同研究を継続していると共に、この研究を元に企業との共同研究も行っている。
以上各課題とも順調に研究成果が上がっており、本研究課題全体として「おおむね順調に進展している。」と自己評価した
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| Strategy for Future Research Activity |
1)渦流動場の粒子集積過程の解明と放出制御能の探査については、撹拌槽内の粒子分散・凝集挙動の研究を粒子濃度が高い条件で行う。また、撹拌翼の回転数を変化させる非定常撹拌操作を行い、粒子凝集の制御性を検証する。
2)渦内の混合・反応特性の調査については、引き続き、液滴振動装置を用いて、振動の周期と振幅を変化させ実験を行うが、昨年度は未着手であった国際共同研究先と共同でLeidenfrost現象を用いた液滴移動と二液滴衝突制御実験を重点的に行う。また、磁性流体の液滴を用いて、運動制御を行い、新奇なエネルギー発生システム開発について国際共同研究の展開を検討する。
3)円錐型テイラー渦流を利用した粒子分級については、数値シミュレーションにより分級特性を詳細に調査するとともに、晶析反応など造粒プロセスに適用し、粒子の造粒・分級の制御性について検証する。また、円筒型テイラー渦流の混相流動系での応用研究を行い、実装置への適用性を検討する。
4）渦の移動による剥離および、物質輸送能の調査については、撹拌槽のスケール軽減に関する研究を推進するとともに、振動流バッフル付き管型反応器を用いた晶析実験二より、渦流動におけるスケール軽減効果を検証する。
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