2019 Fiscal Year Research-status Report
Investigation of fluid-structure-thermal interaction induced by pulse power input
| Project/Area Number |
19K04087
|
|---|
| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
|---|
Principal Investigator |
因幡 和晃 東京工業大学, 環境・社会理工学院, 准教授 (00408725)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 流体構造連成 / キャビテーション壊食 / パルスパワー |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
近年数値解析技術が向上してきており，流体構造連成問題およびさらに複雑な熱流体構造連性問題の研究が数多くなされている．本課題では，熱の影響を無視できない材料を用いて，流体から固体または固体から流体へと波動が伝播する連成現象の解明と極限事故に適用可能な境界条件の提案を目指し，固体表面状態の影響や固体の種類を変えて固液連成界面における波動伝播現象の学理を確立することを目的としている．
固体板表面近傍での気泡崩壊現象の可視化と衝撃力計測のため，これまでは水中アーク放電による気泡生成を行ってきたが，金属近傍で放電を行うと金属に向けて電流が放電される影響で精密な測定が困難となる．今年度は，レーザー収束により水中で気泡を生成・崩壊させる実験システムを構築した．また，固体壁近傍の水中で気泡を崩壊させる数値解析を行い，固体表面の材料（金属，高分子材料，エラストマー）や厚さを変化させて，気泡崩壊時の衝撃力を測定した．また，気泡に作用する力を予測するための理論をもとに，自由表面から剛性壁まで境界の剛性を変化させた境界に作用する衝撃力を予測するためのモデル式を提案するとともに，数値解析結果と比較して有効性を確認した．
また，円形や矩形の薄板や厚肉板の空気中での自由振動特性の理論式を発展させて，流体と接する構造物の自由振動特性を予測するための理論式を構築するとともに，流体と接する構造物の過渡的応答と衝撃力を推定するための方法を構築し，数値解析結果と比較して提案した理論式と衝撃力推定方法の妥当性を確認した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
今年度の計画として，レーザー収束による気泡生成装置を完成させて，水中アーク放電による気泡生成の結果と比較することが一番の目標であり，装置を完成させて気泡生成に成功していることから，目標を概ね達成できたと考えている．新型コロナウイルス感染症の影響により，生成した気泡を構造物に作用させて衝撃力を計測する実験はできていないが，水中で様々な材料や厚さに対して気泡を崩壊させて衝撃力を計測する数値解析を実施しており，様々な条件での結果をもとに理論モデルの構築に有益な情報を得ることができている．引き続き，数値解析を中心にパラメータスタディを行い，実験が再開できるようになるまで準備を進める計画である．
流体と接した構造物に衝撃力を負荷すると，流体のダンピング効果により，構造物は，空気中とは異なる過渡的応答を示す．レーザー収束により生成した気泡を固体壁に作用させる場合には，流体と接した構造物の自由振動ならびに過渡的応答を評価する必要があり，このような状況を高い精度で高速に推定できる理論モデルが重要となる．今年度，流体と接した薄板と厚肉板の理論モデルを構築できており，以上のことから現在までの進捗状況として概ね順調に進展していると評価できる．
|
| Strategy for Future Research Activity |
固体板表面近傍での気泡崩壊現象の可視化と衝撃力計測に向けて，レーザー収束および水中アーク放電により固体壁近傍で気泡を生成・崩壊させて衝撃力を測定する実験を行う．ジェット衝突の際に，連成界面が慣性などにより急激に移動することで界面破壊が起こり，固体に作用する衝撃力は流体ジェットによる圧力から推定する値よりも小さくなる可能性がある．衝撃力の計測結果と界面の破壊モデル（境界条件）を考慮した衝撃力推定理論とを比較して適切な境界条件を提案する．さらに，固体壁の粗さや濡れ性を変えて衝撃力への影響を考察するとともに，数値解析結果から提案した境界条件の妥当性を検証する．
ポンプ等におけるキャビテーション壊食の補修方法として高分子材料を用いたコーティングがあるが，補修部の寿命評価については十分検討されていない．ポンプ内部にコーティングされた補修材料はキャビテーション壊食のほかに引張負荷も受けることが予想されるため，これらを同時に作用させた引張キャビテーション壊食試験をエポキシ樹脂で行い，き裂進展速度が引張負荷のみ作用させた場合の104倍程加速されることを報告している．また，キャビテーション作用時に試験片内部の温度を計測したところ試験片を冷却するための水温25℃よりも高く，最大で90℃程度となることを確認している．そこで，試験片の温度を変更した実験を行い，き裂進展速度における温度依存性を明らかにする．さらに，3Dプリンタを改良して２つの樹脂材料の配合比を変化させた傾斜機能材料を製作し，キャビテーション気泡崩壊により試験片の温度が変化することを考慮した熱・流体・構造連成現象の物理モデルを構築，および温度変化の影響による材料物性の変化を考慮した耐熱・耐キャビテーションコーティングの開発に向けた研究を行う．
|
