2021 Fiscal Year Research-status Report
Active control of convection and mixing in thin liquid layer through surface-tension manipulation
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20K04322
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| Research Institution | Yokohama National University |
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Principal Investigator |
西野 耕一 横浜国立大学, 大学院工学研究院, 教授 (90192690)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 表面張力流 / 対流 / 混合 / 液膜 / 能動制御 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は、薄液膜を対象として、気液界面の局所温度を走査型レーザ照射によって制御することによって、薄液膜に発生する温度差駆動の表面張力流を操作し、液膜内の対流と混合を能動制御する方法を構築することである。令和３年度の具体的な研究成果は次の通りである。
①レーザビーム走査による表面張力マニピュレーション技術の開発：前年度に構築したスポット照射システムを発展させ、精密２次元トラバーサを組み込んだレーザビーム走査システムを構築し、炭酸ガスレーザビームを任意パターンで液膜表面に照射できるシステムを開発した。この照射システムを用いて、横幅60mm×縦幅60mmのシリコーンオイル液膜を対象として、レーザビーム走査による加熱パターンの制御を行った。本年度のレーザビーム走査は直線移動であり、レーザビーム強度と走査速度を変えて、それらが表面張力流の分布に与える影響を調べた。
②表面マニピュレーションの効果の測定：上記①で開発した技術を用いて、シリコーン液膜内に温度差駆動の表面張力流を発生させ、その特性を測定した。シリコーンオイルは5～20cSt、液膜厚さは2～4mm、レーザビーム強度は0.3～0.9W、走査速度は1.8～14.4mm/sである。トレーサ粒子による速度場の可視化計測を行うとともに、熱電対による温度場測定を行い、加熱開始から0.3sまでの速度場と温度場の時間変化の様子を測定した。
③表面張力流パターンの数値解析と次元解析：前年度に開発した数値解析手法を用いて、実験結果（但し、静止スポット加熱が対象）と比較できる数値解析を行い、表面張力流パターンの特性を調べた。表面張力流の特性を代表する最大流速と最大流速位置についての次元解析を行い、それらを与える無次元整理式を求めた。
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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
令和３年度の計画として、下記の①、②、③を設定し、概ね順調に進展した。具体的には以下の通りである。
①レーザスポット加熱の走査システムの構築：前年度に構築した炭酸ガスレーザによるスポット加熱システムを発展させ、加熱スポットを任意パターンで液膜表面に照射できる走査システムを構築した。当初はガルバノミラーを用いる計画であったが、数mm/sの走査速度を得るものとして精密２次元トラバーサが利用でき、制御アルゴリズムが単純化されることから、それを導入した。この走査システムを用いて、最大走査速度14.4mm/sまでの直線走査を実現し、液膜に発生する対流パターンの特性を測定した。また、直線往復走査や円運動走査も可能であることを確認した。
②動的レーザスポット加熱による表面張力流の特性の測定：本年度構築したスポット加熱の走査システムを用いて、液膜に発生する温度差駆動の表面張力流の速度場と温度場を測定し、複数の条件における測定結果を得た。温度測定は素線径0.127mmのK型熱電対で行い、スポット加熱照射と同期して温度信号のサンプリングを開始する計測システムを構築した。これにより、スポット加熱、速度場測定、温度場測定を同期することが可能となった。
③動的レーザスポット加熱の数値解析手法の整備：市販ソルバ（STAR-CCM+）の移動境界条件の機能を用いることによって、動的レーザスポット加熱の数値解析を行うための準備を整えた。その設定は、静止スポット加熱も対象とできることから、本年度は数値解析結果の妥当性を検証するため、静止スポット加熱について実験結果との比較検証を行った。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和４年度の目標は次の①～③である。
①レーザビーム走査による対流パターン制御と混合促進：前年度までに構築したレーザビーム走査システムを用いて、薄液膜に発生させる対流パターンの制御と液膜内の流体混合促進を実現する。そのことの効果的な可視化を行い、表面張力流制御の効果を示す。そのために、前年度までのような単一スポット加熱に加えて、レーザビーム分割による複数スポット加熱を検討に加える。スポット加熱が発生させる表面張力流の特性に鑑み、混合促進のための効果的な走査パターンを考案し、表面マニュピレーション技術を実現する。
②表面マニピュレーション技術の効果の実証：上記①で開発した技術を用いて、シリコーン液膜内に局所対流のアレイ構造を形成し、その特性を調べる。トレーサ粒子による対流速度の可視化計測を行うとともに、トレーサ粒子の数密度分布の時間変化から対流混合の程度を定量化する。
③動的レーザスポット加熱による表面張力流の数値解析：前年度までに準備を整えた方法を用いて、動的レーザスポット加熱が誘起する非定常表面張力流の数値解析を行う。パラメータを変えた数値解析を行い、表面張力流の特性を把握するとともに、特性量の無次元解析を行う。数値解析結果に基づいて、対流パターンの制御と流体混合促進の方法論を検討する。
④研究成果の総括：本研究課題の最終年度となるため、得られた研究成果を総括し、成果の公表を進める。
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| Causes of Carryover |
令和３年度に消耗品として購入する予定であった誘電多層膜レーザ反射ミラーについて、国際的な物流の混乱のため、所属機関の定めた期限内の納品が困難となったため、令和３年度の購入を見送り、令和４年度に購入することとした。納品されるまでの期間は、耐久性に劣るものではあるが、研究室現有のアルミ蒸着ミラーを代用することによって、研究計画を推進する予定である。
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Research Products
(2 results)
