2021 Fiscal Year Annual Research Report
Investigation of solid-liquid interfacial heat transfer influenced by the complex mobility of colloidal particles in the vicinity of a solid wall
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19K04223
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| Research Institution | Shibaura Institute of Technology |
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Principal Investigator |
白井 克明 芝浦工業大学, 工学部, 教授 (00634916)
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2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | コロイド / 電気運動学 / 固液境界 / ブラウン運動 / マイクロ・ナノスケール / ナノ流体 / 計測 / 近接場光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
液体に微粒子を分散させたナノ流体や相変化エマルションを念頭に熱輸送コロイドの分散粒子の挙動と伝熱特性の関連性に着目した。分散粒子は平均的に周囲の流れに追従するとともに、個々の粒子は荷電状態に基づき複雑な電気運動学的挙動を示す。壁面近傍の流れは伝熱と密接に関わるため、本研究では特に壁面近傍での分散粒子の流動挙動に重点を置いて調べた。
実験では二次元矩形断面を有する試験流路に試験コロイドを電場または圧力駆動で流した。計測にはコロイドと接する試験部ガラス壁面で全反射によるエバネッセント(EW)光に基づく2種類の手法を適用した。EW光の壁面からの浸透距離は約200 nmに限定され、回折限界を上回る空間分解能を実現できる。
EW光の干渉に基づくレーザードップラー計測では、ポリスチレン粒子を分散させた水溶液を用いて直流電場駆動で実験した。流れ方向の流速は印可電場強度に応じて増加が確認され、電気浸透・泳動に基づく理論的予測と整合した。だが、定常状態の持続が難しく計測サンプルが限られた。実験前後の試験コロイドのゼータ電位の低下から、これは粒子の分散状態が印可電場により変化した影響と考えられる。他方、EW光の照射による蛍光粒子の追跡に基づく画像計測では、蛍光ポリスチレン粒子を分散させた水溶液を用いて圧力駆動で実験した。流れ方向の流速は設定流量に応じて平均値が増加した。また、流れ方向に垂直なスパン方向の流速は対称性から予想の予想通り平均値は零であった。さらに輝度値の基づき壁面付近を通過したと考えられる粒子では、流速計測値が平均流速と輝度値に基づく線形近似からの予想を上回り、これは使用した蛍光粒子径がEW光の浸透深さを超えることから説明される。実験条件として定常な熱伝導の実現を目指し蛍光温度計測に基づく温度分布計測を推進した。今後は温度境界条件の確立により、ブラウン運動の影響を調べる必要がある。
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