2022 Fiscal Year Annual Research 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 | キャビテーション / 非循環型キャビテーションタンネル / 気泡力学解析 / CFD解析 / 気泡核成長の動的閾値理論 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
水は張力（真空状態を基準とした場合の負圧）下では熱力学的準安定状態となり，張力が強い場合には水は蒸気に相変化し，キャビテーションが発生する．この相変化により水中でキャビテーションが自然に生成するためには約100 MPaの張力が必要であると予測されている．しかし，水を扱う通常の流体機器中では張力が発生するとしても高々1 MPa程度である．このため水中にはミクロな気泡核が存在すると考えられており，弱い張力下での気泡核成長に及ぼす気泡核サイズ，張力の強さ，持続時間の影響の解明が必要とされている．しかし気泡核成長はマクロな流体力学スケールのみならずミクロな気泡核半径のスケールにも依存する複雑な現象であるため未解明のままである．
ある圧力の液体中に気泡核が存在し，これが成長する条件は，著者らが知る限りBlakeの気泡核成長の閾値のみである．Blakeの閾値は，気泡核が周囲液体と釣り合いながら準静的に成長する場合に気泡核初期半径，飽和蒸気圧，非凝縮性気体圧力および液体の表面張力の間に成り立つ条件式である．一方，実際の液体中で張力により発生するキャビテーションでは気泡核がある限られた時間に成長することから，気泡核成長は動的な現象であり，気泡核成長の閾値は時間が関係することを意味している．
本研究は，キャビテーション発生における気泡核の役割と気泡核成長の動的閾値を実験および理論により明らかにすることを目的としてなされたものである．この目的を達成するため，非循環型キャビテーションタンネルを製作し，目開きの異なるろ過フィルターで処理した水を用いて気泡発生の条件を実験的に検討した．理論ではCFD解析により作られた３次元乱流場での気泡核の成長と並進運動を気泡力学解析で追跡し，気泡核成長の機構を明らかにすると共に，新しい動的閾値理論を提示した．
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