Study on vortex cavitation flow in wall boundary layer

2022 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04942
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 伊藤 啓 京都大学, 複合原子力科学研究所, 准教授 (50421590)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 江連 俊樹 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構, 高速炉研究開発部門 大洗研究開発センター 高速炉技術開発部, 研究主幹 (10421570)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: キャビテーション / 液中渦 / 壁面せん断応力 / 数値解析

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，液中渦キャビテーション現象を対象とした基礎実験および高精度・詳細数値解析を行うことにより，液中渦キャビテーションの発生に対して支配的であると考えられる壁面の境界層内部の流れ場構造を明らかにし，液中渦キャビテーションの発生条件を明らかにするものである．研究初年度である令和3年度は，基礎実験における感圧液晶（圧力変化による酸素分圧変化によって光の強さの変わる液晶）の検討を行うとともに，詳細数値解析における乱流モデルの検討を行った．令和4年度は，実際に液中渦キャビテーション現象に対して感圧液晶を用いた圧力計測を行う準備を進めるとともに，気液界面における安定・高精度解析法の検討を行った．感圧液晶を用いた圧力計測に関しては，液中渦キャビテーション現象の空間・時間スケールを考慮した上で，適切な高速度カメラの選定と購入を行い，適用性や計測精度に関する検討を行った．令和5年度は，実際に液中渦キャビテーション現象の計測を行い，これまで明らかにされていない，渦中心近傍の圧力分布についてデータを得る見通しである．一方，詳細数値解析に関しては，相変化を伴う現象の解析を実施したところ，気液界面近傍領域において数値不安定が発生した．気液界面近傍領域における解析安定性向上のためには，対流・拡散を計算する上で気液各相の物理量勾配を正確に計算することが重要であり，実際に圧縮性解析においては，WENO法やGhost Fluid法などの手法が頻繁に用いられている．本研究においては，界面近傍のセルにおいて，気液各相の物理量勾配を別個に計算する手法の開発を行い，基礎的な問題においては安定・高精度な解析が行えることを確認した．令和5年度においては，開発した手法を用いて相変化を伴う流れ場の解析を行い，手法の適用性検討を行うとともに，実際に液中渦キャビテーション現象の数値解析に適用する予定である．

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

上記の通り，令和4年度は液中渦キャビテーション現象の計測実験の準備を進めるとともに，詳細数値解析における気液界面近傍の計算手法検討を行った．前者に関しては，令和5年度に基礎実験を実施し，高精度な計測を行える見通しを得ており，後者に関しても，液中渦キャビテーションの詳細数値解析を行う上で必要となる適切な解析モデルの開発を行っている。ただし，新型コロナおよび世界的な半導体不足による調達の遅れなどの影響を受け，本研究は当初予定から若干の遅れを生じている．

Strategy for Future Research Activity

上記の通り，令和4年度の研究は若干の遅れを生じているが，令和5年度は当初の計画に沿って研究を実施できる予定である．具体的には，基礎実験に関しては，感圧液晶を用いた壁面境界層内の圧力計測実験を実施し，これまで不可能であった壁面境界層内の渦流れ構造を取得することを目指す．また，詳細数値解析に関しては，これまでに開発した解析モデルを用いて，基礎実験を対象とした数値解析を行う．これらの実験および解析の結果に基づく検討行うことにより，液中渦キャビテーションの発生条件に関する知見を得ることが期待できる．

Causes of Carryover

基礎実験において令和4年度に購入を予定していた消耗品等について，実験準備の検討状況を踏まえ，一部を令和5年度の購入としたため，次年度使用額が発生した．