2019 Fiscal Year Research-status Report
薄膜・ナノ粒子形成のための高真空条件における浮遊液滴の減圧沸騰
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18K03987
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| Research Institution | Toyama Prefectural University |
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Principal Investigator |
大嶋 元啓 富山県立大学, 工学部, 講師 (40511803)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 減圧沸騰 / 液滴 / 真空 / 蒸発 / 数値計算 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究テーマは薄膜形成，ナノ粒子形成時における高真空雰囲気圧に噴射したときの液滴の減圧沸騰現象を明らかにすることを目的としている．これまで，空間に浮遊した液滴の減圧沸騰過程を実験および数値計算により，研究を行ってきた．
■実験について 浮遊した液滴条件を模擬するために，液滴浮揚装置の整備を行った．その結果，室温大気圧場において直径0.5ｍｍ程度の微小液滴の浮遊に成功した．この小液滴を拡大光学系と高速度ビデオカメラを用いて撮影した結果，液滴は上下，左右に運動する事が判明した．これは液滴周りの音響流の影響を受けるためであり，過去の研究においても同じ現象が報告されている．本研究では実験装置における液滴周りの流動と液滴の挙動をレーザーシートおよび高速度ビデオカメラにより把握した．この撮影画像はILASS-ASIA 2019 Atomization Photo Contestにて「Dancing Droplet Family」という題目で発表した．現在，減圧場において液滴を保持する機構および液滴周りのガス濃度測定の検討を行っている．
■数値計算について 浮遊単一液滴の減圧沸騰をシミュレーションするため，千田らが過去に提案した減圧沸騰モデルの内容を検証し，不足している条件を追加して0次元プログラムを構築した．その結果，雰囲気圧力1kPaの条件での減圧沸騰のシミュレーションを行うことができることを確認した．現在，液滴単体の減圧沸騰シミュレーションプログラムへの修正と3次元シミュレーションの構築を検討している．
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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
■実験について
平成30年度では浮遊液滴の減圧沸騰微粒化過程の撮影のため，超音波浮揚装置を整備した．しかし，装置の不具合により液滴の安定的な浮揚を実現ができないことが分かり，その整備を行った．整備の結果，令和元年度に直径0.5 mmの小液滴の安定的な液滴の浮遊に成功した．そして，液滴の減圧沸騰微粒化過程を撮影するため，減圧チャンバに超音波浮揚装置を設置し実験を遂行した．しかし，真空では雰囲気（媒質）が減少することより，設定雰囲気圧での液滴の保持を実現することができない事がわかった．現在，液滴の保持機構の検討を行っている．また，液滴周りのガス濃度を測定するための光学機器の整備を行っている．
■数値計算について
平成30年度では装置の不具合が発生し，その整備に時間を要したため，令和元年度で開始するテーマを前倒して研究を遂行した．まず，千田らが過去に提案したモデルの内容を検討した．そして，令和元年度では平成30年度で整理した知見を基に，液滴の減圧沸騰を計算できるよう，千田らが提案したモデルに不足している条件を追加して0次元シミュレーションプログラムを構築した．その結果，雰囲気圧力1 kPaでの噴霧の減圧沸騰シミュレーションに成功した．しかし，不十分な初期条件の設定および液滴単体のシミュレーションができないなどの不具合があるため，引き続き整備を進める必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
■実験について
令和元年度では「研究の実績」および「現在までの進捗状況」で述べた成果を得て，現在，実験を遂行している．この成果のうち，微小液滴の運動は過去の研究において報告されているものの，知見が不十分であるため，微小液滴周りの流れと液滴の関係は明らかにする必要がある．よって，今後の研究計画（減圧場における液滴保持機構の検討，ガス濃度測定機器の整備）と合わせて，進める予定である．
■数値計算について
令和元年度で構築した0次元計算プログラムにおいては改善を要する箇所が発見されたため，その整備を引き続き進める．そして，高真空場での液滴の減圧沸騰の計算を目指す．そして，OpenFOAMを用いた3次元シミュレーションに着手する予定である．この結果の進捗は毎月開催されているオープンCAE勉強会にて報告し，不具合等についての情報交換を行う予定である．得られた成果についてはオープンCAEシンポジウムおよび日本液体微粒学会にて発表する予定である．
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| Causes of Carryover |
平成30年度では装置の不具合が発生し，その整備に時間を要した．その結果，令和元年度では計画内容を見直す必要があり，次年度使用額が生じた．次年度使用額は実験では減圧場における液滴保持機構の構築のために電磁バルブ等を購入予定であり，ガス濃度測定機器の整備のためにレーザーの調整代として使用する予定である．計算では，3次元シミュレーション構築のためのOpenFOAMに関する情報収集のスタッフの人件費として使用する予定である．
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