2021 Fiscal Year Annual Research Report
高速超音波トモグラフィを用いた磁場印加時の液体金属二相流の流動評価とモデリング
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21H01250
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| Research Institution | Kobe University |
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Principal Investigator |
村川 英樹 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (40467668)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
齊藤 泰司 京都大学, 複合原子力科学研究所, 教授 (40283684)
杉本 勝美 神戸大学, 工学研究科, 助教 (40420468)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 二相流 / 液体金属 / 磁場 / 超音波 / ボイド分布 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者が開発した超音波トモグラフィ法を用いて、ガリウム合金中を上昇する連続気泡を対象に、気泡径、気泡間隔および水平磁場印加時の気泡挙動を実験的に評価することを目的に、研究を実施した。
本年度は試験体系を検討し、連続鋳造で使用されている磁場制御条件も参考に、水平磁場を400mT以上印加するものとした。さらに試験部として、内径50mmの円筒容器とすることで、直径250mm以上の領域において均一な水平磁場を印加可能な電磁石を選定した。液体金属中を上昇する連続気泡にって生じる後流渦の影響を評価するためには、同一の気泡径において異なる気泡離脱周期を実現する気泡発生部が必要となる。そこで、スピーカーを用いた音圧変動を利用することで気泡離脱周期を可変とする気泡注入部を製作し、ガリウム合金への適用性についてX線ラジオグラフィおよび超音波トモグラフィ法で評価した。それにより気泡生成周波数が5Hzまでの条件において、等価径が均一な連続気泡を生成可能であることを確認した。さらに円筒容器において、単一および連続して気泡を上昇させ、断面ボイド分布の連続CT計測を行った。容器底部から20mmの位置を入口条件とし、計測位置140mmの位置において、20mmの位置からのボイド分布の変化を評価することで、気泡離脱周期の違いが及ぼす気泡分散への影響について評価した。更に容器底部に設置した超音波センサを用いて、ドップラ法による速度計測を行った。その結果、磁場強度が弱い条件では、磁場強度を増加させるにつれて気泡上昇速度が増加し、磁場強度を更に増加させると気泡上昇速度が低下することを示した。トモグラフィ計測による結果でも、磁場強度を増加するにつれて、連続する気泡がほぼ同じ計測断面を通過することが示され、気泡通過間隔も一定となることを実験的に示した。
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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
水平磁場印加のための電磁石の選定を実施し、実験に必要な大型設備の準備が整った。超音波トモグラフィおよびドップラ法による計測システムは既に構築済みである。これらの装置を用いて、ガリウム合金－窒素二相流において実験を実施し、水平磁場強度の変化に伴う気泡上昇速度と気泡挙動の変化について評価した。その結果、気泡上昇速度と気泡挙動が電磁力によって変化すること、先行気泡によって生じる後流と磁場の影響について評価可能であることを示している。さらに本計測システムを用いて、液体金属に起因する気液密度比および表面張力の影響による気泡流動の違いを解明可能であることを示している。特に連続して上昇する気泡を対象に、気泡離脱周期および気泡径の違いによる影響を評価できることは、気泡後流の影響を評価する上で重要となる。そこで気泡周期を制御可能な気泡発生部を製作し、その性能評価まで実施した。よって、当初の予定通りに研究が進捗している。
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| Strategy for Future Research Activity |
超音波トモグラフィでは、ある断面での瞬時ボイド分布を計測するため、一断面での計測では気泡の三次元挙動を評価することが出来ない。そこで近接した二断面での計測を実施することで、二断面間での計測遅れに基づき気泡の速度ベクトルの取得を行う。そのための計測システムの構築を実施し、速度ベクトル取得のためのアルゴリズムの構築を実施する。さらに主に液相速度の取得のためにパルスドップラ法とトモグラフィ法の同期計測を行うことで、瞬時の流動とボイド分布の比較を可能とする。これらのシステムを用い、同一気泡径で異なる気泡離脱周期の連続気泡における実験を実施することで、電磁力と気泡間距離および気泡径の違いによる気泡流動への評価を行い、気泡後流が及ぼす後続気泡への影響について解明する。
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