2021 Fiscal Year Research-status Report
Study of Suction vortex formation using superfluid Helium-4
| Project/Area Number |
20K03865
|
|---|
| Research Institution | Osaka City University |
|---|
Principal Investigator |
小原 顕 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 講師 (50347481)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
|
| Keywords | 超流動 / 渦 / 流速測定 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
第２年度につき，以下の３点の研究実績として報告する：
１：昨年度製作改良したパルス管冷凍機と1K冷凍機をさらに改良し，サンプルの温度が連続的に1.5 K 以下の低温環境を維持することに成功した．また，既に保有していた校正済み温度計をもとに，３つの低温用温度計を自作・校正した．これにより，冷凍機各部分の温度分布を把握することができ，異常な温度上昇を事前に察知できる可能性が高まった．
２：固体水素を用いたPIV（粒子画像を用いた流体速度場測定）法の予備実験をおこなった．(a) 従来型のガラス製魔法瓶を用い，超流動吸込渦の上方蒸気相より水素・ヘリウム混合ガスを導入し，液体中に固体水素微粒子を生成することに成功した．現在までのところ，高速度カメラをもちいて粒子の運動の様子を撮影することに成功している．しかし，運動を定量的に解析できるような状況には至っていない．(b)超流動吸込渦発生装置とほぼ同形の装置をもちいて，室温の水道水の吸込渦発生装置を作成し，炭酸カルシウム粉末とシート状水平レーザー光を用いたPIV測定法の技術を獲得し，粘性流体の水平方向の循環流速を定量的に計測できるようになった．今後(a)(b)を組み合わせることで，超流動吸込渦の速度場を直接測定できるようになるだろう．
３：昨年度開発した循環全自動測定システムについて「最大相関法を用いた伝播時間差計測法」を確立し，極めて高精度で循環を決定できるようになった．これにより，吸込渦のポテンシャル流領域を特徴づける循環がタービン回転数に比例していることを突き止め，その理由がタービン内の液体の角運動量が吸込渦のポテンシャル流領域全体の角運動量に直接転化することで説明できることを示した．(J. Low Temp. Phys. オンライン先行版：https://doi.org/10.1007/s10909-022-02684-1)
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
吸込渦は剛体回転するコア領域とポテンシャル流領域の二つの領域に分けて考えることができる．このうち，今回はポテンシャル流領域のみを伝播するように設定された２つの超音波パルス（回転流に対して上流向きと下流向き）の伝播時間差を，２波形の短時間相関関数が最大となる条件から見積る「最大相関伝播時間差法」を用いて測定した．この方法は従来，産業用流体測定で利用されていたものだが，回転流・超流体に対しても有効であることを初めて示したことになる．その結果，ポテンシャル流領域の巨視的循環が高精度でモーター回転に比例していることをしめすことができた．これはタービン内の流体と吸込渦の循環が角運動量の輸送で説明できからである．この成果について量子流体および固体に関する国際会議において２件のポスター発表を行い，また， J. Low Temp. Phys. 誌のオンライン先行版(https://doi.org/10.1007/s10909-022-02684-1)に掲載された．
また，固体水素微粒子を用いたPIV（Particle Image Velocimetry）法による速度場を解析する準備を進めた．超流動吸込渦のコア領域は多数の量子渦の集合体とされるが，その実態を観察した報告はまだない．固体水素微粒子は量子渦の渦芯に捕縛される性質を利用すれば，渦糸の動きが可視化でき，コア構造の推定が可能となる．これは，古典流体ではあり得ない利点である．現在までのところ，超流動中への固体水素粒子の導入に成功し，また，水道水を用いた類似実験でPIV法が回転流体にも適用可能であることを示した．これより，世界初の吸込渦の流れ構造の可視化への見通しがたったといえる．これは大きな進展である．
一方で，第２音波を用いた渦糸密度の測定についてはセンサーが原因不明の不調に陥り，本年度は進展がなかった．
|
| Strategy for Future Research Activity |
本年度は
（１）パルス管冷凍機に吸込渦生成装置とPIV測定装置を組み込み，吸い込み渦のコア構造の可視化に取り組む．水素微粒子の定量投入装置の製作も行う．本来ポテンシャル流であるはずのコア外にどの程度の渦糸が染み出しているか，超音波最大相関伝播時間差法による循環測定との対比を行う．また，吸込流（鉛直方向）の直接観測に挑戦する．ただし，これは粘性流体中であっても実現されていない技術的な困難を伴う測定であるから，まずは速度の上限あるいは下限値の測定を目指す．
（２）従来型のガラス魔法瓶を用いた実験で，超流動吸込渦のコアを通る第２音波共鳴実験を行い，モーター回転数とコア内の渦糸の本数の関係性を明らかにする．現在はセンサーが不調のため測定が滞っているが，すでにいくつかの原因が推測されているため，早急な復帰が可能であると思われる．第２音波測定は量子渦糸の平均密度のみを測定するたね，渦糸の空間分布を知るには超音波最大相関伝播時間差法による循環測定と組み合わせることで，コア内の渦糸の分布に関する情報を得ることができる．
|
| Causes of Carryover |
少額であるため無理な執行をしなかった．次年度の消耗品費として活用する計画である．
|
