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

2021 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 – 2023-03-31
• 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．
最終年度となる2021年度は前年度に引き続き音波共鳴管内の音場の精密測定に取り組むとともに，実験に対応する理論解の構築に取り組んだ．これまでに実施した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．本研究では液膜下に圧力計を設置する必要があり，液膜を介した測定となるため，測定結果に液膜の影響が含まれることとなる．
理論解の構築については，前年度に引き続き，導入した解析用のコンピュータを用いて，解析を行うための準備作業に取り組んだ．本課題では，従来の蒸発係数測定法で用いている線形理論解と実験条件との乖離を解消するため，Boltzmann方程式を数値解析手法により直接計算することを計画している．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，補助事業期間の延長を申請し，2022年度について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

新型コロナウイルス感染症の影響もあり，本研究課題で予定している，実験に対応する理論解の構築への取り組みが引き続き遅れている．解析の準備に取り組んだが，解析手法，解析条件等の設定に時間を要し，解析自体への取り組みまで到達できなかった．
また音場の精密測定については，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変更し，複数条件下において音場の測定に取り組んだ．しかしながら，測定結果に液膜の影響が含まれ，実験による測定のみでは，音場の正確な把握は困難であった．今後，蒸気中にも圧力センサを追加し，液膜下と同時に測定することで，キスラー圧力計測定結果から液膜の影響を除外する方法を検討する．

Strategy for Future Research Activity

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．
音場の精密測定については蒸気中にも圧力センサを追加し，液膜下と同時に測定することで，キスラー圧力計測定結果から液膜の影響を除外する方法を検討する．
これらの取り組みを踏まえ，非平衡状態下における蒸発係数測定を目指す．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的とする．

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2021年度については，引き続き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圧力計一式の購入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．