2020 Fiscal Year Research-status Report
EFD・CFD・気泡力学融合による高速水中キャビテーションの初生機構と条件の解明
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20K04296
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| Research Institution | Miyakonojo National College of Technology |
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Principal Investigator |
藤川 俊秀 都城工業高等専門学校, 機械工学科, 准教授 (10777668)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 高速超純水用小型キャビテーションタンネル / 乱流 / 張力 / CFD解析 / 気泡力学 / 並進減圧 / 初生理論 / 気泡核生成 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，二次元流路内に流れと垂直に置かれた円柱と流路壁の間の隙間を水が約50 m/sの流速で流れるとき，円柱背後のはく離点近傍で生成する単一蒸気泡核が「キャビテーション初生（以下，初生）に至る条件と機構」を実験，計算流体力学（CFD），気泡力学で解明することを目的としている．「初生」とは円柱表面での流れのはく離，はく離点近傍での水温上昇・張力発生・気泡核生成，気泡核の成長・離脱，気泡壁で非平衡蒸発を伴う気泡の成長・並進運動を経て，気泡が際限なく成長する過程をいう．
実験は，高純度純水あるいは固形物をフィルタで除去した水道水を用い，水温と水中の空気含有度を調節して，はく離点近傍での流速と圧力を制御できる非循環型キャビテーションタンネルで行った．初年度はタンネルの性能試験を行い，初生を研究するための実験条件を検討，以下のことを明らかにした：
(1)初生の実験条件をバルク状態の水温と最高流速およびその位置での流路幅で定義したレイノルズ数で整理した．
(2)水中に含まれる固形物や浮遊気泡の大きさが気泡生成に及ぼす影響とフィルタのメッシュの関係を調べた．
さらに，タンネルを部分的に改良すると共に，高純度純水製造装置を設置し，別置き200L特注タンクの購入，電気伝導率センサーと電気伝導率変換器の購入等を行い，今後の実験に必要な機材を揃えた．
理論解析は，３次元乱流の流れ場をタンネルで実現できる条件の下でCFDにより解析し，速度，渦度，圧力を調べた．気泡の成長・並進運動は，一次元層流→二次元層流→三次元乱流と順を追って扱う必要があることが判明したため，層流中での気泡の一次元並進運動の式を非平衡蒸発・凝縮を伴う気泡成長の式と連立させて気泡を追跡する理論の定式化を行い，計算プログラムの妥当性を確認した．乱流場での三次元並進運動の解析は，次年度に層流場での二次元並進運動を解析した後の課題とする．
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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
【実験】実験は申請時の計画どおりに進展した．研究成果は，日本実験力学会2021年度年次講演会（2021年8月25-27日，弘前市）にて発表する：
発 表 者：渡部真将，藤川俊秀，福田正和，江頭 竜，中村祐二，藤川重雄
講演題目：非循環型キャビテーションタンネルにおけるキャビテーション初生条件の検討
【CFD解析と気泡力学解析】申請時の計画では，CFD解析に基づく乱流場で気泡核を追跡する方法を予定したが，成長を伴う気泡の並進運動は一次元層流の流れ場から，順次，段階を踏んで進むべきであることが判明した．このため当初の計画を変更し，一次元層流（解析解が知られている直円管内の層流）中での並進運動→二次元層流（本代表者らにより解析解が得られた収縮円管内の層流）中での並進運動→CFDによる三次元乱流中での並進運動，と順を追って解析する方法を採用することとした．初年度は直管内の層流中での単一蒸気泡の並進運動を気泡壁で非平衡蒸発・凝縮を伴う気泡成長を考慮した理論を定式化し，理論式を計算するプログラムの妥当性を確認した．次年度以降，二次元層流，CFDによる三次元乱流中での気泡の並進運動の理論解析を行う．理論解析は計画変更により少し遅れているが，堅実な研究手法を選ぶことにより最終的には計画どおり進む見とおしである．
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| Strategy for Future Research Activity |
２年度は，「円柱まわりに発生するキャビテーション初生の実験と気泡力学を組み込んだCFD解析」について，①高純度純水とフィルタで処理した水道水を用いた実験，②CFDと気泡力学の融合による気泡核の初生過程の理論解析，③実験と理論解析の対応から初生機構の解明，を行う．具体的には，以下の４つの課題に取り組む．
(1) 高純度純水との対照実験を行うため，水道水を用いる場合は，フィルタのメッシュを様々に変えて浮遊固形物のサイズを調節し，気泡核がどこで，どのように発生するかについて，気泡核発生と水の処理程度および流れの条件の関係を調べる．
(2) 顕微鏡付き高速度ビデオカメラで観測できる観測部を用いて，円柱背後のはく離点で発生する単一蒸気泡を観測する．蒸気泡発生と流れのレイノルズ数，はく離点での水温変化および張力の関係を理論解析と対比しながら解明する．
(3) はく離点での気泡核の発生と離脱，その後の気泡核の成長および並進運動を観測する．気泡の並進運動と気泡形状は気泡成長の加速度により大きな影響を受けることが理論的にわかっているため，並進速度，成長加速度および形状の関係を実験的に詳細に明らかにする．
(4) 理論解析は，まず二次元層流（収縮円管内の層流）中での気泡の成長・並進運動を解析し，結果の妥当性を確認した後，三次元乱流のCFD解析により得られた流れ場中で気泡力学の方程式を解析，はく離点近傍で気泡核の成長，離脱，その後の並進運動を詳細に調べ，観測結果と比較する．CFD解析でははく離点近傍での水温変化を計算できるため，そこでの水温変化と張力が気泡発生にどのように影響するかについても調べる．併せて，気泡力学を組み込んだ渦法による解析も行う．これは気泡力学を組み込んだCFD解析を補完するものである．
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