2021 Fiscal Year Annual Research Report
分散気泡のレオロジーが解き明かす混相乱流遷移のシナリオ
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19H02057
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
田坂 裕司 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (00419946)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
PARK HYUNJIN 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00793671)
村井 祐一 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80273001)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | レオロジー / レオメトリ / 乱流実効粘度 / 気泡対流 / 流れの遷移 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究期間全体を通して，設定したテーマを実行するため，①局所非定常レオロジー物性の評価，②実効乱流渦粘度の評価，③気泡集積と渦の安定性評価，④局所乱流塊と気泡の干渉，を個別プロジェクトとして設定している．
３年目に相当するの2021年度は，①について，昨年度までに確立したレオロジーマッピングの技術を論文にまとめ発表した．また，これを応用した技術として，レオロジーマップベースの構成方程式を導出し，流れを推定する手法を提案した．これまでに，CMC，PAM，およびPVPの３種の流体，同軸二重円筒間の流れと管内流れの２種類の流れに応用し，流れの推定が可能であることを示した．さらには，分散気泡についてレオロジーマッピングを行い，定常剪断に対し，非定常剪断では実効粘度が数倍大きくなることを示した．
②に関して，回転二重円筒装置の高度化を行うことで，安定して計測結果が得られる状態となった．これを用いて解析を行い，テイラー・クエット流れにおけるテイラー渦，波動成分の運動量輸送における寄与を，実効渦粘度の増加として抽出することが可能となった．
③について，これまでに得られた浮力対流における分岐解析の結果を論文にまとめ，発表した．浮力対流の遷移過程における分岐の枝は複雑に折りたたまれており，実験における再現性の低さを表していると理解している．
④について，管内流れに撹乱を加える直前に，電気分解により微細気泡を発生させることで，撹乱の成長における微細気泡の影響を詳細に調査した．撹乱として与える微小噴流に蛍光染料を混ぜ，円管内流れにフレーク粒子を混入させることで，撹乱の成長が円管内流れをゆがめ，孤立乱流塊への遷移を促していることを明らかにした．またその過程で生じるヘアピン渦列が気泡を集積させ，渦列が活発化することで遷移が促進されることを示した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
設定した上記①から④の項目について，概ね想定していた進展状況であるとともに，①ではこれまでに開発したレオロジーマッピングの手法を発展させ，複雑流体の流れ場予測が可能な新手法を提案することができた．また，この研究で確立した手法を他の計測対象に応用することで，研究の幅を広げるとともに，特許のPCT出願にこぎ着けた．①③の項目では新たに論文が掲載され，②④の項目では次年度の論文発表に繋がるまとまった成果が得られた．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究最終年の2022年度では，①②④の項目で得られた成果をそれぞれ個別の論文にまとめることを最終的な目標として，必要であれば追加の実験と解析を行う．③の項目については，可能であればシンセティックジェットの装置を用いた新たな実験を行う．
①の項目について，流れの非定常性が微細気泡を含む液体の実効粘度に与える影響がこれまれに明らかになっている．これに理論的な解釈を加えて，本年度中に論文をまとめる．
②の項目については，テイラー・クエット流れを用いた装置を作成し，解析を進めてきた．その成果として，遷移過程に現れる，渦や振動などの流れの要素が，実効粘度に与える影響を評価することができた．これらを論文にまとめる．
④の項目では，管内流れに撹乱を加え，その直前に電気分解により微細気泡を発生させることで，孤立乱流塊への成長過程における気泡の役割を明らかにしてきた．この成果を論文にまとめる．
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