Study on the generation and transport of bubble cluster by a vortex ring

2020 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 18K03924
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 内山 知実 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (90193911)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 出川 智啓 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (80402551) [Withdrawn]
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2021-03-31
• Keywords: 気液二相流 / 渦輪

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，液体中で気泡を集めて気泡塊を創成し，所望の位置まで輸送する，気泡塊のハンドリング技術を開発することである．液体中に渦輪を射出し，その渦運動により気泡を巻き込んで気泡塊を創成し，射出後の併進運動で気泡塊を輸送する独創的な混相流のハンドリング技術である．本年度は，上述の渦輪による気泡塊の創成と輸送をシミュレーションで解析することを目指した．
シミュレーションには，申請者が既報で開発したVortex in Cell法を用いた．渦度に着目し，渦度方程式を解く渦法に準拠した方法である．シリンダやピストンなどの物体を考慮し，かつピストンの運動を表現するため，Volume penalization法を併用する方法である．
まず，シリンダ内の水をタンク内に押し出すことにより発生する，渦輪のシミュレーションを実施した．その結果，断面内の速度分布や渦輪移流速度が実験結果と一致することを把握し，流れのシミュレーションの妥当性を確認できた．つぎに，渦輪発生時に気泡を渦輪中に注入した場合の流れと気泡運動をシミュレーションした．ピストン押し出し速度すなわち渦輪強度が高い場合には，注入された気泡が渦輪内部（渦核）に巻き込まれ，そのまま鉛直上向きに渦輪と移流することが判明した．このピストン押し出し速度は，実験結果とほぼ一致するものであり，実験結果をシミュレーションで再現できることを確認した．よって，渦輪による気泡塊の創成と輸送を申請者のシミュレーション手法で解析できることが判明した．