2021 Fiscal Year Research-status Report
キャビテーションが生じる状況下の物体表面損傷に関する予測法の創出
| Project/Area Number |
21K04512
|
|---|
| Research Institution | Gunma University |
|---|
Principal Investigator |
川島 久宜 群馬大学, 大学院理工学府, 准教授 (50399531)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
|
| Keywords | 混相流 / 気泡 / 熱・物質輸送 / 可視化 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
キャビテーションをともなう流れでは，気泡の崩壊により物体表面に損傷を与えることが広く知られており，これまでキャビテーションの崩壊にともなう衝撃力計測など様々な研究が報告されている．小型船舶のプロペラなどでは，プロペラの腐食抑制を目的として塗装が施されている場合がある．しかし，プロペアを使用した際に，表面に塗布した塗装剥離や損傷を受ける場合がある．これらの原因はキャビテーションであることが予想されるが，プロペラから生じるキャビテーションが直接的な原因とは断定されていない．また，この塗装の損傷が発現するまでの時間，損傷程度などを推定するには至っていない．
本研究では小型回流水槽を用いて，塗装が施された縮流モデルをキャビテーション状況下に曝すことにより，塗装損傷とキャビテーションの因果関係を明らかにし，塗装損傷の推定法を得ることを目的とする．
本研究では，塗装の損傷実験，流れの可視化，モデル表面にはたらく力計測を実験的に調べ，実験事実に基づく知見を構築する．さらにOpenFoamを用いた数値シミュレーションを行い，実験結果と対比することで数値モデルの検証および塗装損傷に関する推定法を見出すことをあわせて目的としている．OpenFoamはライセンスフリーの数値シミュレーションソフトウェアであり，近年注目されているソフトウェアの一つである．産業界ではコンピュータシミュレーションはパラメータを変化させた場合の影響を調査するための有力なツールである一方，得られた結果が実現象を捉えているか注意する必要がある．本研究ではモデル実験結果と数値シミュレーション結果を比較し，複合的な解析を用いて，キャビテーションによる物体表面損傷の推定法を得ることを狙う．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
キャビテーションによるモデル表面の塗装の損傷に関して縮流モデルを用いた実験を行った．実験に使用する縮流モデルはアルミ合金製であり，表面に陽極酸化被膜を施したものを使用した．
実験では模型用塗装を塗布した縮流モデルをアクリル製可視化部を取り付けこれを回流水槽に設置した．また，インバータを用いてインラインポンプの回転数を制御することで，異なる流速条件について損傷実験を行った．損傷評価実験は，流路内の流速，塗装が施された縮流モデルをキャビテーション状況下にさらされる時間を変化させ，塗装の損傷面積，位置を評価した．その結果，流速が早くなるほどキャビテーション発生量が多くなるため損傷面積が増加し，また，その位置もモデル後流に移動することがわかった．これらの結果を整理し，損傷面積と流速の関係を得た．
さらに，キャビテーションの崩壊にともなう縮流モデル表面にはたらく衝撃力を計測するため，圧電フィルムの（PVDF：ポリフッ化ビニリデン）薄膜を用いた，多点計測が可能な力センサを作成した．作成した力センサは，一つの計測面は幅 3mm，流れ方向に 5mmであり，計測面と計測面は 1 mmの隙間を設け，流れ方向に10個作成した．製作された力センサをモデル表面上に設置し，縮流モデル表面にはたらく衝撃力分布を計測し，同時に行った可視化計測結果との比較から，キャビテーションの崩壊にともなう衝撃力を計測可能であることをがわかった．
|
| Strategy for Future Research Activity |
2021年度，実験を進めるあたり幾つかの検討事項が生じた．例えば，自作した衝撃力センサの較正実験の効率化，回流水槽のモデル脱着の効率化など，ハード面の改良を早急に検討する必要がある．また，現状の回流水槽では縮流モデルに取り付けたセンサからの導線を計測器まで繋ぐ方法が煩雑である．今後，実験の効率化を狙うためには，こららの課題を改善する必要がある．
これまでの実験より，キャビテーション状況下では物体に塗布された塗料が損傷を受けることが分かったが，塗装の損傷と塗装の性質の関連について不明な点がある．日本工業規格では品質管理を目的とした塗装，塗膜に関する試験方法が規格化されている．今後，塗装の機械的性質を調べ，キャビテーションによる塗装損傷と塗装の状態との関連を整理する予定である．
OpenFoamを用いた数値解析を行う予定である．これまでの研究により，実験的にキャビテーションによるモデル表面に塗布された塗料の損傷について，可視化結果，モデル表面での衝撃力などの結果を得ている．今後，推定法を検討するには実験パラメータを変化させ，現象を想像することが有効になる．そのためには数値シミュレーションは重要なツールとなる．今後，OpenFoamを用いた数値計算環境を整え，実験結果との対比を行いながら現象を理解する予定である．
|
| Causes of Carryover |
研究成果を海外での国際学会，国内での学会発表を予定していたが，コロナ感染症の防止の観点から，予定していた学会がオンライン開催となり予定していた渡航費を使用しておらず，当該年度の使用額が予定額に達しなかった．未使用分については次年度，実験装置の改良費等に充てる予定である．
|
Research Products
(1 results)
