2019 Fiscal Year Research-status Report
Study on flow structure and atomization mechanism of multiphase flow in a converging-diverging nozzle
| Project/Area Number |
19K04210
|
|---|
| Research Institution | University of Tsukuba |
|---|
Principal Investigator |
金子 暁子 筑波大学, システム情報系, 准教授 (40396940)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
阿部 豊 筑波大学, システム情報系, 教授 (10241720)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
|
| Keywords | 混相流 / ベンチュリ管式微細気泡発生装置 / マイクロバブル / 微粒化 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
縮小拡大管内の特異な流路形状により混相流動場において著しいせん断流動場や超音速流動場が生じる。このような流動場により引き起こされる力を用いて気・液・固体を粉砕し微粒化する装置の実用化を目指している。
2019年度は管内のせん断応力場、および圧力変化と物体の微粒化の相関の解明として、（１）固体粒子としてアロフェンを用いた微粒化現象、および、（２）気泡微細化において、キャビテーション現象との関係を調べた。
（１）固体粒子の微粒化について、天然由来の土コロイドであるアロフェンを用いた。ベンチュリ管内でのアロフェンの微粒化を詳細可視化と粒径計測、および微粒化後のゼータ電位計測により調べた。ベンチュリ管内での気泡挙動と流速場の可視化を行った結果、流速条件によって気泡微細化挙動は大きく異なり、生成される気泡は流速に依存して微細化されることを明らかにした。管通過後のアロフェン径計測、管内アロフェンの微粒化挙動の詳細な可視化を行った結果、アロフェンは流速に依存して微粒化されることを確認した。また、気泡の収縮崩壊に伴って発生する圧力波がアロフェンの微粒化に寄与している可能性が示された。微細化されたアロフェンと気泡のゼータ電位計測を行い、Sauter平均粒子径の減少に伴い、アロフェンのゼータ電位が上昇することを明らかにした。
（２）気泡微細化については、ベンチュリ管内の気泡崩壊挙動の可視化観察とキャビテーションの評価手法を検討することによって、キャビテーションの発生と圧力損失係数の増大に相関関係があることを明らかにした。また、高流速条件においては音波が下流へと伝播することが明らかになった。またこの音波は、気相流量比の増加により減衰することが分かった。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究では、以下の2点に着目し研究を進めている。すなわち、(1) 定在的な圧力回復と過渡的な圧力伝播のメカニズムの解明、および、(2) 管内のせん断応力場、圧力変化、温度変化に伴う相変化と物体の微粒化メカニズムとの相関の解明である。
（１）においては、ベンチュリ管内気液二相流の詳細な圧力分布や、過渡的な圧力伝播挙動 の計測に成功した。また、キャビテーション現象と音波発生の相関についても定量的に示すことに成功している。特に、気相流量比の増加により、高流速条件にもかかわらず、音波の強度が低くなることが明らかとなり、これは圧力伝播メカニズムに大きく寄与するものと考えている。さらに、アロフェンの微粒化において伝播する圧力波に直接影響する知見であり、（２）の微粒化メカニズムにも影響を及ぼすことが考えられる。
（２）においては、ベンチュリ管内の複雑流動場のPIVを実施し、管内のせん断応力計測に成功している。これにより、特に低流量条件における微粒化への寄与を定量的に議論することができる。一方、温度場計測については進展が少ない。これは、気相を主流とした実験の実施が必要であるものの、2019年度においてはこれに至っていないためである。ただし、圧力分布計測や流動場計測についてはノウハウを蓄積していることから、これらと合わせて2020年度に検討する。
|
| Strategy for Future Research Activity |
本研究では、以下の2点に着目し研究を進めている。すなわち、(1) 定在的な圧力回復と過渡的な圧力伝播のメカニズムの解明、および、(2) 管内のせん断応力場、圧力変化、温度変化に伴う相変化と物体の微粒化メカニズムとの相関の解明である。
（１）については、特にベンチュリ管気液二相流動場に着目し、キャビテーション現象と気泡崩壊現象の解明について、さらに実験を進める。気相流量比に対する音波の計測や気泡挙動の詳細計測結果に基づき、気泡崩壊のメカニズムを議論する。これは流動条件に対する生成気泡径分布に直結する議論になると考えられる。
（２）については、氷生成の準備を進めるとともに、せん断応力の計測を進め、低流速条件における微粒化との関係を調べる。また、各流体の流量をパラメータとし、微細化の適用範囲について考察する。
|
