2018 Fiscal Year Research-status Report
Dynamic cavitation inception on the solid-fluid interface with fluid-structure interaction
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18K13662
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| Research Institution | Meiji University |
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Principal Investigator |
小島 朋久 明治大学, 理工学部, 助教 (70802734)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 破壊力学 / キャビテーション / 衝撃 / 連続体力学 / 流体構造連成 / 損傷力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
流体機械の寿命評価においてキャビテーションの発生予測は極めて重要であるが，固液連成界面近傍で気泡核が存在していてもキャビテーションが発生・成長しない事例が確認されるなど，正確な発生予測モデルの構築は困難を極めている．一方，固体に関しては破壊力学の学問体系が確立されており，固体内にき裂が存在していたとしても周囲の拘束の影響などによりき裂が進展しない条件が理論的に定義されている．本研究では固体の破壊力学におけるき裂の生成と進展のアナロジーをキャビテーション気泡の生成と波面伝播に適用することで，動的キャビテーション波面発生を予測する新しい学理を創出することを目指している．
今年度は固液連成界面におけるキャビテーション波面生成を観察・測定し，生成条件を明らかにするとともに生成量を定量的に評価することを目指した．固体丸棒と水を充満した円管を用いて，固体側から伝播する応力波が固液連成界面を通過し圧力波として管内水中に伝播する実験系を構築し，キャビテーション波面を生成する実験を行った．固液連成界面にあらかじめ単一気泡を配置して圧力波動の伝播に伴う気泡の成長を観察し，固体の破壊力学におけるグリフィス理論と比較することにより，気泡核が成長する臨界条件を示す指標の可能性を示した．また円管内の水に界面活性剤を添加することで固液界面における界面エネルギの平衡を変化させ，キャビテーション生成量を変化させることに成功した．さらに固体の運動エネルギと流体に与えられたエネルギの保存を考慮することにより，固液連成界面におけるキャビテーション生成量を定量的に評価できることを示した．
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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
平成30年度は固体のき裂進展理論を波動伝播によるキャビテーション発生へ適用し評価することを目標にして研究を行い，以下の2つの面で目標を達成した．①流体内の気泡核の成長に対する固体内のき裂の進展のアナロジーの適用に関して，固液連成界面にあらかじめ単一気泡を配置して圧力波動の伝播に伴う気泡の成長を観察し，固体の破壊力学におけるグリフィス理論と比較して力学モデルを構築することにより，気泡核が成長する臨界条件を示す指標の可能性を示した．②固体の破壊力学にけるき裂の進展と関連を持たせた，キャビテーション生成領域が圧力波と共に波面として伝播する条件の調査に関して，ハイスピードカメラの撮影能力限界により，気泡近傍において固体のき裂先端に形成される応力場のような圧力変動を観測することはできなかったものの，水に界面活性剤を添加して固液界面における界面エネルギの平衡を変化させることにより，キャビテーション生成量を変化させることに成功した．また，固体の運動エネルギと流体に与えられたエネルギの保存を考慮することにより，固液連成界面におけるキャビテーション生成量を定量的に評価できることを示した．
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| Strategy for Future Research Activity |
H31年度はH30年度の継続として，H30年度に構築した力学モデルの発展と数値解析への実装を行う．H30年度における実験は円管内で行ったため管壁の慣性や拘束の影響があったが，周囲に拘束のない条件下で固液連成界面近傍の気泡に圧力波を伝播させる実験を行い，H30年度に構築した理論モデルが境界の影響がない流体中における3次元的な単一気泡発生にも適用可能となるよう発展させる．さらに構築した理論モデルを固体の破壊じん性に相当するような流体の物性値として数値解析に実装することを試みる．すでに数値解析ソフトウェアとしてANSYS AutodynおよびLS-Dynaを使用可能な環境が用意してあり，これらのソフトウェア上で数値解析モデルを構築する．
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| Causes of Carryover |
当初の予定ではH30年度に国際学会参加のための渡航費と，実験時のハイスピードカメラのレンタル料を計上していた．しかし，明治大学の国際学会参加渡航費助成300千円分を受けることができたためと，東京工業大学の因幡和晃准教授の協力の下でハイスピードカメラを使用して実験を行うことができたため，次年度使用額が発生した．
次年度使用額の使用計画として，H30年度に行った実験では使用したハイスピードカメラの撮影能力限界により，圧力波とともにキャビテーション生成領域が波面として伝播する現象の，気泡生成領域近傍における圧力変動を観測することができなかったため，流れの可視化手法としてPIV装置を新たに購入し，ハイスピードカメラをレンタルして圧力変動を観測する実験を行う予定である．
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Research Products
(2 results)
