2020 Fiscal Year Research-status Report
不純物を含む水中における気泡と壁面間相互作用に関する実験的研究
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18K03934
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| Research Institution | Osaka Prefecture University |
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Principal Investigator |
小笠原 紀行 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00552184)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 液膜 / 光干渉計 / 界面活性剤 / 電解質 / 気泡 / 気泡クラスタ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
【薄い液膜の排水破断過程における電解質および界面活性剤の影響の解析】剛体壁と接近する気泡間に形成される薄い液膜を対象とした光干渉法による膜厚分布計測に関して以下の実験を実施した．超純水，二種類の電解質溶液（酢酸ナトリウム水溶液，硫酸マグネシウム水溶液），界面活性剤水溶液（Triton X-100水溶液）を用い，接近速度（1～2000マイクロメートル毎秒）を実験条件とした排水時の膜厚分布形状の変化を取得し，各溶液における比較を行った．その結果，特に接近速度が遅いときに超純水と電解質水溶液で液膜形状に違いが生じることがわかった．これは，電解質による気泡合体阻害効果における，液膜の排水過程の重要な特徴をとらえたものであると考えられ，今後は理論モデルとの比較からその物理に関するより詳細な知見が求められる．
【斜め平板下を上昇する球形気泡群のクラスタ化に内在する気泡間相互作用の解析】二次元的な拘束を受ける球形気泡の群運動に関して，斜め平板下を上昇する球形気泡群ではクラスタ化が生じるが，単一細管から生成した気泡列の観察から2個から数個程度の気泡群の運動を解析し，クラスタ化に関わる気泡間相互作用の詳細を解析した．また，特定の気泡に注目した解析のみならず，気泡間相互作用の平均的な描像を明らかにするために統計的なデータ処理を実験結果に施した．特に，気泡発生部からの測定領域までの距離を変化した実験を行い，フリースリップ気泡の場合には助走距離の違いにより相互作用に大きな違いが生じていることが明らかとなった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
液膜排水過程の光干渉法による膜厚分布計測に関しては，マイカ平板を用いた清浄な固体壁面を用いた実験を安定的に実施できるようになった．液相に含まれる不純物の影響を評価するため，超純水，二種類の電解質溶液（酢酸ナトリウム水溶液，硫酸マグネシウム水溶液），界面活性剤水溶液（Triton X-100水溶液）を用い，気泡の固体平面への接近速度を1から2000マイクロメートル毎秒まで変化させた実験を再現性の評価と共に行い，薄膜の形成過程で見られるディンプル形状に対して，ディンプル深さやリム幅といった特徴的な幾何学量に注目した評価を行った．その結果，接近速度が10マイクロメートル毎秒以下の場合に，超純水と電解質水溶液での液膜深さの過渡的な変化に差異が生じ，電解質溶液では排水が阻害される効果があることがわかった．
斜め平板下を上昇する球形気泡群のクラスタ化に内在する気泡間相互作用の解析では，単一細管を有する気泡発生部から一定の時間間隔で発生する単分散の気泡径分布を有する球形気泡群を発生し，初期に等間隔に一列に並んでいる斜め平板下を沿うように上昇する気泡レイノルズ数が100程度の気泡群による相互作用の解析を行った．二気泡間相互作用の解析における統計処理におけるサンプリング方法として，最接近気泡のみの場合と，任意の二気泡の場合との比較から，特にフリースリップ気泡場合には，最接近気泡のみの場合から横並びの二気泡に平衡位置が存在しうることがわかってきた．ただ，助走距離の影響により相互作用の定量的な詳細に変化が生じるため，その定量値については助走距離の影響を含めたより詳細な解析が必要となる．
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| Strategy for Future Research Activity |
まず，気泡壁面間の液膜排水過程については，実験データと理論的なモデルとの比較を目指し，潤滑理論による液膜形状の変化の解析を試みる．
原子間力顕微鏡による気泡と壁面の相互作用力と膜厚分布の同時計測では，まず気泡プローブ制作過程の検討をさらに進める．気泡プローブの安定した製作法の確立と同時に，倒立顕微鏡の光源として干渉画像が得られるものを選定する．その後は，高速度カメラによる撮影と原子間力顕微鏡による計測を同期したシステムを構築し，相互作用力と膜厚分布の同時計測の計測システム構築を目指す．
斜め平板下を上昇する球形気泡群のクラスタ化に内在する気泡間相互作用の解析では，現状では気泡レイノルズ数が100程度のデータのみが得られている．したがって，まずこの気泡レイノルズ数の影響を考察するためさらなる実験データを取得する．また，現在までに明らかになった過渡的な気泡間相互作用に変化に対して，更なる実験データの取得から信頼性の向上をし，助走距離による相互作用の変化の詳細について解析する．
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| Causes of Carryover |
まず，新型コロナウイルスの関係で研究協力者の学生の実験頻度が大幅に減少し，予定していた実験を実施できなくなったために物品費が減少した．また，参加予定の学会が延期またはオンラインでの開催となり，それにより当初予算との差異が生じた．今年度が本来最終年度であったが，実施計画の遅れから延長を申請しており，次年度においては本来最終年度に実施予定だった計画に対して予算を執行する予定である．
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Research Products
(4 results)
