革新的洗浄方法原理解明のための水蒸気・水混相噴流衝突速度における凝縮効果の解析

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21656048
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 渡部 正夫 北海道大学, 大学院・工学研究院, 准教授 (30274484)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 小林 一道 北海道大学, 大学院・工学研究院, 助教 (80453140)
• Keywords: 混相流 / 気液二相流 / 液滴衝突 / 気液界面 / 分子気体力学 / 凝縮 / 数値解析

Research Abstract

本研究では,研究代表者らが提案した水蒸気と水を混合しノズルから噴射する革新的混相噴流洗浄方法の基本原理を解明することを目的としている.具体的には,水蒸気中の水液滴が固体表面上の水液膜に衝突することにより発生する衝突圧力に着目する.この衝突圧力は,液滴衝突速度に大きく左右されるため,衝突速度を正確に見積もる必要があり,液滴界面および固体表面での凝縮効果を高精度で解析することが必要である.従って,分子気体力学を用いることが必要不可欠である.
本年度は,昨年度構築した気体分子力学と連続体数値流体力学を融合させた数値解析スキーム開発のための基礎モデルの評価を行った.球対称一次元座標系を用いて,Gaussian-BGK-Boltzmann方程式に従う多原子分子気体が,球形液滴に凝縮する過程の数値シミュレーションを行った.液滴周囲の圧力分布を観察することにより液滴に働く抗力を算出した.気液界面の境界条件を支配する蒸発・凝縮係数に液滴抗力は大きく依存し,蒸発・凝縮が発生することにより液滴抗力が低下することを確認した.
さらに,より現実的な系を取り扱うために,気体中に分子の占める体積が無視できないような高密度の気体に対して有効である,Enskog-Vlasov方程式を用いることを試みた.Boltzmann方程式の直接解法であるDSMC法を拡張したParticle Scheme法を用いて,単純な系においてEnskog-Vlasov方程式を解き,その有効性を議論した.
また,液滴周囲気体が,不凝縮気体の場合と凝縮性気体の場合について,連続体数値流体力学ソフトウェアを用い,固体表面に衝突する液滴の速度変化の比較を行った.物理現象の特性時間の多重性のため,安定した計算を継続することが困難であった.気液界面における,蒸発・凝縮を支配する物理モデルの適切な粗視化が必要不可欠であることを確認した.