2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on rheology of non-Newtonian two-phase flows through singularities in microchannels
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19K04172
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| Research Institution | Kumamoto University |
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Principal Investigator |
川原 顕磨呂 熊本大学, 大学院先端科学研究部(工), 教授 (20224818)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 二相流 / マイクロチャンネル / 非ニュートン流体 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的はマイクロ流路およびミニ流路内の気液二相流流動特性に及ぼす非ニュートンレオロジー特性、および特異点の影響を明らかにすることである。そこで、まず特異点がない直管部の流動特性を調べるために、内径0.25mmの円形流路および水力直径が0.5mmの矩形流路を用いた実験と解析を行った。液体にはニュートン流体として水、グリセリン水溶液を、非ニュートン流体として分子量の異なる3種類の高分子水溶液を用いた。高分子剤として分子量が低い順にカルボキシメチルセルロース化（分子量 約250,000）、キサンタンガム（分子量 約2,000,000）、ポリアクリルアミド（分子量5,000,000 ～6,000,000）を用いた。なお、供試気体には窒素ガスを用いた。液単相流実験では高せん断速度領域において圧力損失のデータを得た。二相流実験では、気泡の速度、気泡と液塊の長さ、圧力損失を求めた。その結果、次の事項が明らかとなった。
・高分子水溶液の単相流の圧力損失は、高せん断速度で得られた擬塑性粘度と構造粘度指数を用いた一般化レイノルズ数で整理できる。
・分子量の大きい高分子水溶液のみ気泡の接触・合体する特異な現象が観察された。
・気泡の速度は概ねドリフトフラックスモデルで整理できることが分かった。ただし、そのモデルに含まれる分布定数に高分子溶液の粘弾性の影響を考慮しなければならいことが示唆された。
・液体の平均速度の増加に伴い、二相圧力損失勾配が増加した。液体の有効粘度と二相圧力損失には相関がある。
・ユニットセルモデルを用いて二相圧力損失を整理できる可能性があることが分かった。ただし、正確に予測するには、気泡通過後の後流及び液体の弾性を考慮に入れる必要がある。
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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
マイクロ流路の直管部における液単相および気液二相流流動特性に及ぼす非ニュートンレオロジー特性を把握した。しかしながら、高分子の種類により、すなわち高分子の分子量が大きくなるにつれて、粘弾性の影響が見られ、それを明らかにする必要がある。
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| Strategy for Future Research Activity |
高分子の分子量および水溶液の濃度が増すにつれて粘弾性の影響が見られたので、濃度を変えた実験を行うことを計画している。
また、弾性の影響をさらに詳しく見るために、特異点としてオリフィスを使用し、オリフィスを通過する液単相流および二相流の特性を調べることを計画している。
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| Causes of Carryover |
旅費については当初予定していた会議に参加できなかった。物品費については、研究の途中で流体の粘弾性を測定する必要が明らかとなり、その結果を受けて当初購入予定であった計測器を変更する必要が生じため。そこで、次年度は粘弾性の測定結果を考慮して、それらの計測が可能な計器および装置の製作に充てる。
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