2021 Fiscal Year Research-status Report
Monitoring and control of two-phase slug flow in microdevices with multi-channels
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19K05140
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
殿村 修 京都大学, 工学研究科, 助教 (70402956)
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2019-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | マイクロリアクタ / 制御・モニタリング / スラグ流 / ナンバリングアップ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
マイクロデバイスの特徴は流路の寸法を大きくすると失われるため，流路のナンバリングアップ（並列化）によりデバイスの処理量が増大される。本研究では，気液二相スラグ流を伴う多流路デバイスを対象とする。スラグ流は，混ざり合わない流体が交互に流れる流動状態であり，従来デバイスよりも界面積が一様で大きく，かつ，スラグ内で循環流が生じることから，高い物質移動速度をもたらし，反応の高い空時収量を示す。その実用化に向けて，ナンバリングアップによる量産化技術，スラグ生成周期やスラグサイズが希望値を達成しているか，異常によりそれらがシフトしていないか，といった制御・モニタリング技術の方法論の構築が本研究の目的である。2019年度（令和1年度）は「気液二相スラグ流生成・流動のモデリング」，2020年度（令和2年度）は「多流路デバイスの気液二相スラグ流生成周期・サイズの制御・モニタリング」に取り組んだ。2021年度（令和3年度）は「スラグサイズシフトのモニタリング」に取り組んだ。スラグ生成部より下流のスラグ流動部において相間物質移動によりシフトするスラグサイズを推定するために，スラグ流動部に狭隘部を設けて得られたフィード圧力変化を解析する手法を提案し，その有用性を数値流体力学（CFD）シミュレーションにより評価した。狭隘部のサイズ，数，設置位置を変えながら，フィード圧力と流動状態の関係を検討した結果，スラグ長さを±8%以下の精度で推定できることを確認した。
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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
研究目的の達成に向け，研究実施計画通りに進展している。本年度は，狭隘部を設けたT字流路を対象とした二相スラグ流CFDシミュレーションを行い，狭隘部のサイズ，数，設置位置を変えながら，フィード圧力と流動状態の関係を明らかにした。スラグの前方と後方の界面が狭隘部を通過すると，その曲率半径が小さくなってラプラス圧が大きくなり，フィード圧力が大きく変化することが示された。この特徴を利用することにより，スラグ長さを±8%以下の精度で推定できることを確認した。さらに，狭隘部の形状に関して，曲率半径が一定で，通過する界面の数は１つで，界面の通過時間が長い形状が望ましいこと，また，狭隘部を複数設置する場合，狭隘部に起因する圧力振動の波形が重なり合わないように設置位置を調整する必要があること，といった設計指針が得られた。以上より，区分（２）を選択した。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでの研究成果を踏まえて多流路デバイスを用いた二相スラグ流実験システムを構築した際，流路並列数を増加するにつれて流体均等分配の制御性が低下した。2022年度（令和４年度）は，デバイスへの流体供給部の設計を変更し，実験システムを再構築し，流体均等分配制御，および，スラグ流生成周期・サイズのモニタリング手法の有用性を改めて検証する。以上により，研究目的の達成に繋げる。
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| Causes of Carryover |
多流路デバイスを用いた二相スラグ流実験システムの再構築において，デバイス関連の資材供給不足や物流の遅れなどの影響を受けたため，次年度使用が生じた。設計を見直したデバイスの材料・制作費，フィード圧力解析に影響する脈動の小さい高性能な送液ポンプ，そして，研究成果発表に次年度使用額を充てる。
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