極低温液体中の気泡崩壊が誘発する爆発現象の解明

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 20K14675
• Research Institution: Japan Aerospace EXploration Agency
• Principal Investigator: 坂本 勇樹 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 日本学術振興会 特別研究員PD (50845774)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: キャビテーション / 気泡崩壊 / レーザー / 水素

Outline of Annual Research Achievements

ある条件下では，液体水素漏洩時に極低温状態の固体表面で生成される液体空気と水素が混合することで，爆発現象を引き起こすことが確認されているが，爆発に至るメカニズムはわかっていない．本研究は将来の液化水素の安全利用に向けて，本事象の発生メカニズムの解明を目的とする．申請者は，本現象が極低温液中において気泡が何らかの要因によって圧壊した際に生じる局所的な高温場，もしくはその連鎖が原因と考えており，事象の再現および数値的な検証に取り組んでいる．
これまでにレーザーを用いた気泡崩壊実験，理論解析による気泡崩壊現象の調査，数値計算を用いた気泡崩壊現象の再現を行った．気泡崩壊現象の再現として，超音波や衝撃力，電気スパークによる方法等も検討したが，レーザーにより局所的な突沸を起こすことにより容易に再現性の高い試験ができる見通しが立ったことから「レーザーキャビテーション法」を採用することとした．本試験ではレーザー出力等を変化させて生成気泡の大きさを変更させたり，レーザーキャビテーションによって，存在していた気泡を崩壊可能なことなどを確認してる．また，数値計算に関してはOpenFOAMを用いた計算を実施しており，圧縮性・相変化等を計算可能なソルバーで非定常的な温度・圧力変動を解析した．また同様の条件の理論解を時間発展的に解析できるようにした．これらの理論解・数値計算について比較し，定性的に一致する結果を得ている．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

■レーザーキャビテーション試験：気泡崩壊を再現する手法として，超音波や衝撃力などが候補として挙がっていたが，文献調査や有識者へのヒアリングなどを通じて，レーザーを用いる試験方法を選定した．光源として532nmのNd:YAGレーザーを採用し，任意の位置に集光可能な光学ベンチを組み立て，ガラス窓付きのステンレス製容器にレーザーを集光させて気泡を生成できるようにした．照射強度はレーザー側のパラメーターで変更できるほか，光学絞りでも変化することが可能となっている．生成した気泡は高速度カメラで撮像するほか，衝撃圧センサを用いた測定を実施している．高速度カメラを用いた光学計測ではレーザー照射後の気泡振動を取得した．また，衝撃圧センサによってレーザーによって生成された気泡が崩壊する際に，衝撃圧が発生していることがわかった．衝撃圧によって気泡を圧壊させられる目途が付いたことから，あらかじめ気泡を用意した状態で，レーザーによるキャビテーションを誘起させた．この結果，溶存気泡を２次的に圧壊可能なことを実験的にも確認した．
■理論解析および数値計算手法：単一気泡の気泡振動現象は，レイリープリセット方程式に従うことが知られている．着火メカニズムの推定に向けてRayleigh–Plesset方程式の数値計算コードを構築した．合わせて，オープンソースの数値計算ソフトであるOpenFOAMを用いた３次元シミュレーションを実施している．ソルバーとしては非定常/圧縮性/相変化等を計算可能なreactingTwoPhaseEulerFoamを選択しており，例えば100kPaの液中に直径1mm/内圧10kPaの単一気泡が生成された後の圧力・温度・空隙率等を非定常的に計算できるようになった．本計算結果は理論解析と比較して，気泡内圧のピーク値や時刻で一致しない部分はあるものの定性的な一致を得ている．

Strategy for Future Research Activity

■レーザーキャビテーション試験：レーザーによるキャビテーション試験装置の構築と気泡崩壊の連鎖などが確認された．今後は①より定量的な気泡崩壊条件の調査，②可燃性気体を圧壊させたときの評価，③極低温流体中における試験が課題となる．
①に関しては，レーザー照射パラメーターと絞りをパラメトリックに変化させて，生成する気泡の大きさや衝撃圧の測定を行う．また，２次的に生じる気泡崩壊発生条件についても詳細な検討を行うこと．これらの結果から可燃性ガスが存在する場合の着火条件を整理し②試験へと移行する．②では実際に可燃性ガスをレーザー照射容器下部から導入して間欠的に気泡を生成する．この状態でレーザーキャビテーションを誘起し，可燃性ガスの崩壊時の着火を光学計測等で確認する．③に関しては，①の試験をサブクール～飽和状態の液体窒素下で実施することを検討している．本試験実施に向けて真空二重構造の試験供試体の構築などを行う予定である．
■理論解析および数値計算手法：理論解析と数値計算で最小気泡径におけるピーク温度等の定性的な一致は確認しているものの，気泡崩壊時の衝撃圧の再現に至っていない．２次的に生じる気泡崩壊が着火，爆発に至る重要な仮定だと考えており，この衝撃圧の再現ができるよう計算手法を見直す予定である．また，これらの課題が解決し次第，実験結果との比較によって詳細な爆発に至るメカニズムを検討する．