2022 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 – 2024-03-31
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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」，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。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ことから，2022年度（令和４年度）は，数値流体力学（CFD）シミュレーションにより，デバイスへの流体供給部の設計を変更し，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検証した。
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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，おおむね順調に進展している。多流路デバイスを用いたスラグ流実験システムにおいて，流体分配部は，流体を多流路に分配するマニホールド，マニホールドと多流路デバイスを繋ぐジョイントチューブからなる。本年度は，マニホールドに関して，内部の流れが乱れるとフィード圧力解析が困難になるという知見に基づいて，数値流体力学（CFD）シミュレーションにより流路サイズを決定し，3Dプリンタを用いて造形した。ジョイントチューブに関して，その内径を変更し，圧力損失を増大することは，ピーク周波数の差を小さくしたため，流路間のスラグ流の均一化に効果があるものの，ピーク高さを小さくしたため，フィード圧力解析によるスラグ流モニタリングを困難にする結果となった。ゆえに，流路間のスラグ流の均一化を図りつつフィード圧力解析の有用性を発揮するには，多流路デバイスの流路抵抗が支配的になるようにジョイントチューブやマニホールドを設計する必要がある，という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 |
圧力損失のバランスを考えて流体等量分配性について検討し，流体等量分配性を担保することで，スラグ生成周期だけでなく，スラグ流速やスラグ長さの推定も行えることが示唆された。さらに，ピーク消失の現象を利用して，ピーク周波数の差ではなくピーク周波数の値から等量性を判別する可能性が示唆された。これらの検証実験に加えて，スラグサイズシフトのモニタリングの検証実験を実施する。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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