2020 Fiscal Year Annual Research Report
Exploration of the Nucleation Principle Underlying the Size Distribution Law of Bubble Nuclei Always Present in Water
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19H02068
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
津田 伸一 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00466244)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
渡邉 聡 九州大学, 工学研究院, 教授 (50304738)
片山 雄介 九州大学, 工学研究院, 助教 (20778815)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 水 / 気泡核 / 熱ゆらぎ / 分子動力学 / 光学計測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，水中で発生する多くの気泡生成現象において，その起点となると考えられている気泡核（100マイクロメートル程度以下の微小な気泡）の形成原理を，確かな実験によるサポートのもと，理論的および数値的に解き明かすことである．水中の気泡核数（気泡核の数密度）のサイズ分布は，気泡核の半径Rに対して明確な指数則を示すことが知られているが，本研究では特にこの指数則に潜むと考えられる気泡核の形成原理を，主に微視的な視点から解明することを目指している．以上の目的および趣旨のもと，研究1年目（令和元年度）においては，気泡核の気液界面近傍の熱的なゆらぎが気泡核の安定性を変化させる可能性があることがわかった．この点を踏まえ，研究2年目となる令和2年度は，分子動力学（Molecular Dynamics（MD））シミュレーションにより模擬される水中の気泡核に対して，熱的なゆらぎに起因して生じる気泡核の界面の変形挙動を，球面調和関数を用いて定量的に抽出する手法の構築を進めた．本手法はまだ完成していないものの，完成の見通しは概ね立ってきている．また，よりマクロな観点から，気泡核のサイズ分布に及ぼす溶存空気の影響を実験的に推定する研究も実施した．具体的には，光学的に撮影された気泡核の陰影の大きさから気泡核のサイズを推定した結果，20～200マイクロメートルの水中気泡核のサイズ分布が，水中の代表的な不純物である溶存空気の濃度によって変化し得ることが確かめられた．以上のようにミクロとマクロの両面から，気泡核の安定性ならびに気泡核のサイズ分布に関する情報取得が可能となってきたことが，今年度の主な研究実績である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
研究目的に到達するためのアプローチ手法の構築は着実に進んできているが，気泡核のサイズ分布の形成メカニズムに直結する研究成果はまだ得られていないため．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，別途構築を進めてきている気泡核の成長モデルを，気泡核のサイズ分布の時間発展を記述可能な方程式に組み込み，ナノスケールの気泡核のみからなる初期のサイズ分布が，低圧場においてどのような時間変化を示すのかを数値解析的に調べる．また，気泡核サイズの光学計測も継続して行い，より小さな気泡核の撮像も実施する．
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