2021 Fiscal Year Research-status Report
Toward Improvement of Prediction of Cavitation under Real Fluid Flow Condition: Understanding of Dissolved Gas Effect and Its Modeling
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20K04269
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
渡邉 聡 九州大学, 工学研究院, 教授 (50304738)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
津田 伸一 九州大学, 工学研究院, 准教授 (00466244)
片山 雄介 九州大学, 工学研究院, 助教 (20778815)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | キャビテーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，流体機器のキャビテーション性能の予測の高精度化を目指し，支配的実環境因子の一つである液中の溶存気体の効果に着目し，機械の内部流れとの類似性に基づいて選定した基礎的形状の流動系を対象に，①キャビテーション気泡の内圧の決定機構ならびに気液界面での物質伝達機構の実験的解明，さらには②物理現象に根差した溶存気体効果の流体解析モデルの構築を行う．
①については，前年度に引き続き翼形および二次元縮小拡大流路を対象に実験計測を行った．翼形の実験では，流れがはく離し大規模な非定常流動を呈する高迎角を対象とした計測を行い，キャビティ内の不凝縮ガスの分圧が周期的な大規模流動によるキャビティの排出効果により平衡圧に対して非常に小さいことが分かった．また，主流圧力の増減に伴う翼表面圧のヒステリシスが大規模非定常流動と関係することを見出し，国際会議で公表するに至っている．一方，二次元縮小拡大流路の実験では，不凝縮ガス分圧の計測精度向上を実現してその成果を国際誌ASME J. Fluid Eng.にて公表するとともに，キャビティ内圧の決定機構の解明には液中溶存気体の拡散挙動の解明が重要であると考え，気流の圧力計測手法である感圧塗料の原理を応用し，主要な溶存気体種である酸素の液中濃度を可視化計測する手法を検討した．簡易的な実験により液中濃度分布が計測できることを実証，さらには流動場中のキャビティ周りの酸素濃度分布を計測するための試験部を設計・製作し，一連の成果を国内会議で発表した．
また，②については，本研究にて構築した溶存気体輸送モデルを実装した流体解析ソルバーを用いて実験と同形状の翼形および二次元縮小拡大流路のRANS解析を実施し，溶存気体の析出効果により後流構造に明確に違いが現れることを明らかにした．後者については国内会議で公表し，前者については国内会議で発表予定である．
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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
研究開始からの2年間で，キャビティの内圧の高精度計測，高速度カメラ観察による対象とするキャビテーションの上下流の気泡群（気相の体積流量）計測に基づくキャビティ界面における物質伝達率の推定，感圧塗料の原理を応用した液中酸素濃度の可視化計測など，本研究の目的である①キャビテーション気泡の内圧の決定機構ならびに気液界面での物質伝達機構の実験的解明を完遂するためのツールおよび手法を開発，整備できた．
一方，もう一つの目的である②物理現象に根差した溶存気体効果の流体解析モデルの構築については，基本的なモデルの構築とソルバーへの実装を済ませ，既に実験と同様の複数の形状を対象とした解析を開始しており，各種パラメータに対する依存性や上記実験結果を用いた妥当性を検証する段階にきている．
以上より，本研究はおおむね順調に進んでいるものと判断する．
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| Strategy for Future Research Activity |
最終年度である2022年度は，これまでに構築した複数の実験計測手法を組み合わせて①キャビテーション気泡の内圧の決定機構ならびに気液界面での物質伝達機構を実験的に解明するとともに，既に構築済みの溶存気体輸送モデルの高度化をはかり，②物理現象に根差した精度良い溶存気体効果の数理モデルの完成を目指す．
具体的には，2021年度に設計・製作した試験部を用いて，二次元縮小拡大流路におけるキャビティの内圧，キャビティ周囲の溶存酸素濃度分布の同時計測を試みる．あわせて，キャビティ上下流の気泡群特性を計測し，溶存気体の質量輸送・収支を明らかにする．また，必要に応じて，試験部の壁面形状を変更することで，バックステップなど流れが完全にはく離する場合についても溶存気体の質量輸送・収支を明らかにする．数値流体解析については，溶存気体輸送モデルを用いた解析結果と上記の実験結果との詳細比較を行い，実験結果との大きな乖離があれば問題点を洗い出す．各モデルパラメータのチューニングとその物理現象に根差した考察を加えることで溶存気体効果の数理モデルを改良し，完成を目指す．
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