2018 Fiscal Year Research-status Report
マランゴニ効果を活用したスラグ流内の急速混合新技術
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18K03954
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
小野 直樹 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (20407224)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
丹下 学 芝浦工業大学, 工学部, 准教授 (70549584)
山田 崇 芝浦工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 研究員 (90791947)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | マランゴニ効果 / マイクロ混合 / スラグ流 / PIV / マイクロ流路 / 物質移動 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，十字合流部を持つミニチャンネルを利用して形成されるスラグ流内部にマランゴニ対流を発生させる機構により，小体積ながら簡便かつ高速の革新的液体混合デバイスを実現する．限定された空間であるスラグ流内にて瞬間的に発生するマランゴニ対流を利用する混合機構の妥当性や特性，適用限界容積について，実装置を製作しての実験および数値計算によって検証し，マイクロリアクター等の実用デバイスへの応用に必要される条件，関係性などの包括的設計指針を確立する．
平成30年度の計画として，本研究で提案する混合促進機構の有効性の確認するために，流動実験を行うための流路を，①流路幅0.25mm，流路深さ0.1mm（代表長さ0.1mm），②流路幅0.5mm，流路深さ0.25mm（代表長さ0.25mm）および③流路幅1.0mm，流路深さ0.5mm（代表長さ0.5mm）の3種類作成して，試験流体を純水および酢酸水溶液（濃度；0～60wt%）を用いた流動実験を行い，その混合評価および2次元PIV解析によるスラグ流内の流れ分析を行った．
実験の結果，①，②，③すべてにおいて，スラグ流内部の試験流体は，スラグが生成された地点から3mm下流に移動するまでに，ほぼ完全に混合が完了することが確認された．しかし，スラグ流内部の流れについては，①，②については，研究計画で想定した通りの流路平面方向（流路幅方向）に発生するせん断流による特異な流れが確認されたのに対して，③については，流路平面方向に加えて流路断面方向についても特異な流れが3次元的に発生していると解釈される流れが観測された．この流路断面方向に対する流れがスラグ内部の混合促進に影響を及ぼしていることが考えられる．平成31年度計画として，実験流路のスケールをさらに引き上げる計画であり，このとき，この3次元流に対する流れ解析への対応が重要になると考えられる．以上
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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
本研究は，十字合流部を持つミニチャンネルを利用して形成されるスラグ流内部にマランゴニ対流を発生させる機構により，小体積ながら簡便かつごく短時間で複数液体の混合が完了する高速液体混合デバイスを実現することを目的に行われる．
平成30年度の計画として，本研究で提案する混合促進機構の有効性の確認するために，流動実験を行うための流路を，①流路幅0.25mm，流路深さ0.1mm（代表長さ0.1mm），②流路幅0.5mm，流路深さ0.25mm（代表長さ0.25mm）および③流路幅1.0mm，流路深さ0.5mm（代表長さ0.5mm）の3種類作成して，試験流体を純水および酢酸水溶液（濃度；0～60wt%）を用いた流動実験を行い，その混合評価および2次元PIV解析によるスラグ流内の流れ分析を行った．
実験の結果，①，②，③すべてにおいて，スラグ流内部の試験流体は，スラグが生成された地点から3mm下流に移動するまでにほぼ完全に混合が完了することが確認され，本年度の研究で扱った流路スケールまでは，マランゴニ対流による高い混合促進効果が確認され，本研究で提案する混合促進機構の有効性を確認することが出来た．
スラグ流内部の流れのふるまいについては，①，②については，研究計画で想定した通りの流路平面方向（流路幅方向）に発生するせん断流による特異な流れが確認され，研究計画時に想定した混合プロセスに沿った流れのふるまいが観察されたのに対して，③については，流路平面方向に加えて流路断面方向についてもせん断流によると思われる特異な流れが3次元的に発生していると解釈される結果が観測された．流路サイズの拡大が，3次元流の発生と関係していると考えられる．平成31年度計画として，実験流路のスケールをさらに引き上げる計画であり，このとき，この3次元流に対する流れ解析への対応が重要になると考えられる．以上
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度の研究結果から、流路代表長さが0.1mm～0.25mmのとき，スラグ内部に発生するマイクロ混合流は，当初計画通り，流路平面方向に展開する2次元流が主要な混合促進源であることが確認された．しかしながら，流路代表長さが0.5mmのとき，スラグ流内部に発生するマイクロ混合流は，流路平面方向だけでなく流路深さ方向にも展開される3次元流であったことを示唆する観測結果を得た．上記の3次元流に対しては，研究計画当初に想定した観察系および2次元PIV を用いた流れ解析では，正確な流れの評価が難しいと考えられる．これに対する対策として，①3次元CFD 計算モデル開発の早期実現，②ステレオPIVシステムの導入による矩形管内部に発生する流れの3次元流れ解析の実現，以上の実現を図る．
①3次元CFD 計算モデル開発の早期実現については，CFD計算モデルの開発については本研究開始当初から取り組んでいるが，現在の進捗としては，2次元モデルでのシステム検証までに止まっており，流動実験の進捗に比べて大きく遅れている．しかし，平成31年度計画として，実験流路のスケールをさらに引き上げる計画であり，3次元流に対する流れ解析への対応が重要になると考えられる．そのため，来年度は進捗を早めるため優先的に取り組むこととする．
②ステレオPIVシステムの導入による矩形管内部に発生する流れの3次元流れ解析の実現については，来年度さらに流路スケールを上げる（5mm～）ときに実現を図るために準備を進めていたものであるが，その整備を前倒しして，流路スケール：2mm～から使用できるように進捗を早める．設備については，我々の研究室の備品を用いることで，実現できる見通しであるが，（１）実験流路の構成，（２）実験画像の校正，以上について，特別な配慮が必要となると考えられ，これらについて，慎重に進めていく．以上
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| Causes of Carryover |
実験用のマイクロ流路は自作しており，製作に失敗することも見込んでいたが，比較的失敗が少なく製作できたため予算が少し残った．次年度は可視化の三次元化に取り組み，物品等がかさむ可能性があるため，そちらに併せて使用する予定である．以上
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