音波共鳴管実験と分子気体力学に基づく非平衡状態下での蒸発係数測定法の開発

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04202
• Research Institution: Nara National College of Technology
• Principal Investigator: 中村 篤人 奈良工業高等専門学校, 電子制御工学科, 准教授 (80619867)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 相変化 / 蒸発係数 / 凝縮係数 / 音波

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，申請者が開発した共鳴音波を用いた蒸発係数測定法を基盤として非平衡状態下における蒸発係数測定法を開発することである．蒸発係数は，分子気体力学の境界条件，気体論境界条件に含まれる未知パラメータであり，蒸発係数を求めることで，気体と液体の界面において，どれだけの質量，運動量，エネルギーが交換されるのか，正確に求めることが可能となる．従って蒸発係数が決定されることで，熱交換器，薄膜形成，キャビテーションなど，工学分野への直接的な貢献はもちろん，異常気象，環境問題など，本研究による成果は幅広い分野に応用可能である．
2年目となる2020年度は昨年度，実施予定であった音波共鳴管内の音場の精密測定に継続して取り組むとともに，実験に対応する理論解の構築に取り組んだ．昨年度取り組んだ既存の実験装置の改良を踏まえ，音波共鳴管内に水液膜を形成し，キスラー圧力計を設置して，複数条件において共鳴管内に形成される定在波の測定を行った．また理論解の構築に関して，現在の測定法では，分子気体力学に基づき，蒸発，凝縮の影響を加味した線形理論解を用いているが，平面音波の形成，平衡状態の実現，など，様々な仮定があることから，実験条件との乖離が生じている．そこで蒸発係数の精度改善を目的として理論面の見直しに取り組んだ．Boltzmann方程式を数値解析手法により直接計算するために，解析用のコンピュータを導入し，解析を行うための準備作業を行った．新型コロナウイルス感染症の影響もあり，理論解の構築については作業が遅れているため，2021年度も継続して取り組んでいく予定である．

Current Status of Research Progress

4: Progress in research has been delayed.

Reason

前年度までで実験装置の改良についてはおおよそ完了したが，初年度に実施予定であった音波共鳴管内の音場精密測定が2020年度にずれ込んだため，当初予定していた実験に対応する理論解の構築への取り組みが遅れることとなった．
また音場の精密測定については，キスラー圧力計を設置して周囲に液膜を形成した音波共鳴管内において，キスラー圧力計設置位置を複数条件に設定して測定に取り組んだ．しかしながら測定毎に液膜の形成条件を制御することが困難なため，音場の測定に十分なデータが収集できていない．2021年度についても引き続き測定を継続する．
理論解の構築については，数値解析に使用するコンピュータを導入し，解析の準備に取り組んだが，音場の測定の遅れもあり，数値解析の実施には至っていない．2021年度についても引き続き取り組みを行う．

Strategy for Future Research Activity

音波共鳴管内の精密音場測定については圧力計を用いて共鳴管内で圧力計の位置を細かく制御し，各位置における音圧を測定する．このとき測定毎の液膜厚さを一定に制御する必要があるが，液膜形成後に実験装置が格納された圧力容器内を排気するため，測定時には液膜厚さが変化することになる．この問題に対しては液膜を形成せずに，容器内の排気を行い，不純物等を十分に除去した後，水蒸気および水液膜を導入することで，形成する液膜厚さを制御することを検討している．導入経路に弁などを取り付け，電気的に制御することにより，測定毎の液膜厚さにばらつきが生じないようにする予定である．実験に対応する理論解の構築については，導入したコンピュータを用いてBoltzmann方程式（ES-BGKモデル）を数値解析により，直接計算し，実験装置を模擬した計算領域内の音場を求める．数値解析を行うことにより，実験装置内の温度の不均一性，装置内の音波が平面波ではない場合や音源周囲の隙間の影響等を考慮することができ，理論解を実験条件に近づけることができると考える．
またこれらを踏まえ，非平衡状態下における蒸発係数測定に取り組む．平衡状態からのずれが蒸発係数にどのような影響を与えるのか，非平衡度（平衡状態からのずれ）が大きくなるにつれて蒸発係数はどのように変化するのか，を明らかにすることを目指す．

Causes of Carryover

（理由）
初年度の使用計画が変更となり，予定していたニードル型マイクロホンの購入を取りやめたため，また2020年度については，新型コロナウイルスの影響を受け，予定していた学会発表，および研究打ち合わせがすべて実施できなかったことから当初の使用計画から変更が生じ，次年度使用額が生じることとなった．
（使用計画）
音波共鳴管内の音場を精密に測定するために必要となる実験装置の改良経費に充当したいと考えている．また実験に対応する理論解の構築のための数値解析に必要な経費として充当したいと考えている．