2011 Fiscal Year Annual Research Report
歳差運動する容器を用いた撹拌翼をもたない混合器の開発
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21760130
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| Research Institution | Okayama University |
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Principal Investigator |
後藤 晋 岡山大学, 大学院・自然科学研究科, 准教授 (40321616)
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| Keywords | 乱流 / 歳差運動 / 混合 / 撹拌翼 / 粒子画像流速測定 / スペクトル法 |
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| Research Abstract |
歳差運動をする容器を用いた混合器の開発に向けた基盤研究を行った。歳差容器内には撹拝翼を用いることなく発達した乱流を維持することができるため、この混合器は被混合物の構造を破壊しにくいという応用上の特長をもつ。また境界条件が単純であり、支配パラメタが「自転の強さを表すレイノルズ数」と「歳差の強さを表すポアンカレ数」の2つのみであるため、室内実験と数値シミュレーションを同一の条件下で行えるという特長ももつ。そこで維持される乱流のパラメタ依存性や混合能力を明らかにするため、室内実験と数値シミュレーションを並行して行った。以下がその成果である。(1)室内実験により乱流が維持されるための最低のポアンカレ数の容器形状依存性を調べた。具体的には球体と回転楕円体容器を用いた比較実験を行った。ここで回転楕円体容器は長軸が自転軸に一致する楕円率0.9のものを用いた。
このわずかな楕円率は結果に大きな影響を与え、しかも乱流維持のためには回転楕円体の方がより大きなポアンカレ数を要することが分かった。(2)自転軸に垂直な中心断面内の平均流速場と乱流強度分布を粒子画像流速測定により求めた。その結果、これらは2つのパラメタのうちポアンカレ数のみに依存することが明らかとなった。(3)スペクトル法を用いた数値シミュレーションを実行した。とくに室内実験により強い乱流が維持されることが知られるパラメタ(レイノルズ数10000、ポアンカレ数0.1)における数値シミュレーションを行った結果、室内実験結果を精確に再現した。また、室内実験での断面計測で明らかになった強乱流領域が環状の3次元構造を有することが明らかになった。(4)歳差容器内流に移流される流体粒子群の追跡の数値シミュレーションを行い、混合度の時間依存性を定量的に評価した。その結果、上述のパラメタでは約10自転周期程度で一様な混合が達成されることが分かった。
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