2021 Fiscal Year Annual Research Report
3D thermal/flow measurement for active control of internal flows in drops
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20K14667
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
喜多 由拓 九州大学, 工学研究院, 助教 (40840616)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 液滴 / マランゴニ対流 / 流れ可視化 / 蒸発 / 接触角 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
Lab-on-a-chipにおける液滴のマイクロリアクタ機能創出のため、局所加熱による液滴の熱流動現象の制御に関する研究を行った。レーザーやマイクロヒーターによって液滴を局所的に加熱することで、液滴表面に人工的な温度勾配を形成させ、その勾配に沿って表面張力によって対流を発生させる。本研究では、対流の発生条件や強度に及ぼす影響パラメータを調査した。特に、液滴の接触角は液滴の流動安定性に大きく影響を及ぼすことが明らかになった。具体的には、接触角の低い液滴では対流は発生せず、温度分布は熱伝導により形成された。一方で接触角が90度を超えると対流渦が発生し、不安定な振動現象に移行した。これは接触角を考慮した無次元マランゴニ数によって説明可能であることが分かった。当初の計画では、本研究期間中に粒子画像流速計測法（PIV）を用いて液滴内部の速度分布を明らかにする予定であった。期間内で倒立顕微鏡や高速イメージング装置などの計測系の構築は概ね完了したが、実測は今後進めていく予定である。
また、本研究の発展形として、隣接する液滴の蒸発に関する研究も実施した。多くの液滴絵研究が単一の液滴蒸発に着目しているが、実際のシステムでは液滴「群」を扱うことが多く、液滴間の相互作用が蒸発挙動ならびに内部対流に及ぼす影響は未解明である。そこで、背面指向シュリーレン法を用いて液滴周囲の濃度拡散場を可視化し、液滴間相互作用の影響を定量的に調べた。
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