2020 Fiscal Year Annual Research Report
Analysis and control of bubble generation in nanopores
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20H02081
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
大宮司 啓文 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (10302754)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
徐 偉倫 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 講師 (50771549)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | ナノバブル / ナノ細孔 / 気泡核生成 / 沸騰 / マイクロ冷却デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、ナノ細孔を加熱することによりナノ気泡を発生させる系を用いて、単一気泡の均一核生成、不均一核生成など気泡核生成条件の評価、および単一気泡から、気泡クラスター、ミクロ・マクロスケールの沸騰現象へ至る気泡成長過程の解明を目的とする。理想的な単一気泡の均一核生成がどこで崩れ、不均一核生成が発生するか、単一気泡から、気泡クラスター、さらにはミクロ・マクロスケールの沸騰現象へどのように繋がっていくかという学術的な問いに対して、(1)ナノ細孔内部の気泡核生成の解析と制御、および(2)気泡核からナノ・マイクロ気泡への成長過程の解析と制御の２つの課題に取り組む。本年度は、研究項目(1)において、ジュール加熱によるナノ細孔内部における気泡の生成・崩壊現象に着目し、実験計測と数値解析に取り組んだ。細孔径、印加電圧の大きさが気泡発生の位置（細孔中心からの均一気泡核生成、壁面からの不均一気泡核生成）、気泡発生の周期性に与える影響を明らかにした。実験計測においては、パルスジェネレータで電極に電圧を印加し、オシロスコープでナノ細孔のコンダクタンスの時間変化計測する実験系を構築し、また、データ解析のソフトウエアを開発した。数値解析においては、(1) ジュール加熱によるナノ細孔内部の温度分布を予測する連続体モデル、(2) 気泡の成長と崩壊を捉える一次元の移動境界モデル、(3) 細孔中心からの均一気泡核生成と壁面からの不均一気泡核生成の間の遷移を説明する互いの気泡クラスターの競合モデルを構築した。これらのモデルは細孔径が大きくなるにつれて、細孔中心からの周期的な均一気泡核生成から壁面からの非周期的な不均一気泡核生成に遷移する様子を捉えた。また、細孔径が大きくなるにつれて、大きな均一気泡核が生成する様子を捉えた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
初年度の目標は、ジュール加熱によるナノ細孔内部における気泡の生成・崩壊現象を対象として、細孔径が気泡の生成・崩壊の周期性にどのような影響を与えるかを理解することと定めていたが、実験計測と理論解析により、細孔中心からの周期的な均一気泡核生成と壁面からの非周期的な不均一気泡核生成の競合現象であることを明らかにした。また、このメカニズムを明らかにしただけでなく、定量的に理解するためのモデル化も行った。これらの研究成果は熱工学分野、応用物理分野における国際会議での発表、学術論文の発表において、概ね受け入れられた。したがって、当初の計画以上に進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
ジュール加熱によるナノ細孔内部における気泡の生成・崩壊現象をより深く理解するために、電気化学的手法によりナノ細孔のコンダクタンスを計測するのみならず、ハイドロフォーンによる音響場計測、光学的手法による温度場計測に取り組む予定である。また、理論解析において、細孔中心からの周期的な均一気泡核生成と壁面からの非周期的な不均一気泡核生成を明確に区別するために、機械学習を用いたデータ解析ソフトの開発にも取り組む予定である。
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Research Products
(5 results)
