Elucidation and modeling of successive fragmentation cascade of metal droplets

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 21H01251
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Kyushu University
• Principal Investigator: Inoue Chihiro 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 王 振英 九州大学, 工学研究院, 助教 (20896633) ; 高橋 厚史 九州大学, 工学研究院, 教授 (10243924)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 金属液滴 / 液滴 / 連鎖分裂 / 熱物質拡散 / 表面張力 / 高速度可視化 / 数理モデル / 凝縮相

Outline of Final Research Achievements

The energy conversion efficiency of fine spray generation is less than 1% due to the limitation of conventional fluid mechanics that a droplet experiences only one-time breakup. In contrast, in this study, we experimentally explored the unknown mechanism of “successive fragmentation”, in which droplets repeatedly break up, by combining high-speed visualization and microscopic observation with a comprehensive mathematical model. As a result, we succeeded in formulating the diffusion-controlled fragmentation cascade in which the atmosphere permeates into the droplet to generate an internal bursting bubble, enabling to explain the visualization results well.

Free Research Field

流体工学・熱工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

通常，液体や固体に外力を加えると分裂するが，その回数は1回程度に限られる．対して，炭素鋼やチタンなどの金属液滴は，繰り返し分裂することが知られているものの，その流体力学的機構は未解明であった．本研究は，金属液滴の連鎖分裂が，雰囲気からの物質拡散によって律速されることを実験と理論から明らかにした．連鎖分裂は，高効率に微小液滴および粉末を製造できることから，近年需要が高まっている金属微粒子製造技術への応用が期待され，本研究によって，その原理的な成立性を実証した．