多気泡系におけるキャビテーション初生に関する理論シミュレーション研究

2014 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 23560215
• Research Institution: Japan Atomic Energy Agency
• Principal Investigator: 井田 真人 独立行政法人日本原子力研究開発機構, 原子力科学研究部門 J-PARCセンター, 研究副主幹 (60391356)
• Project Period (FY): 2011-04-28 – 2015-03-31
• Keywords: 気泡 / 流体力学 / 圧力波 / キャビテーション / 音響 / 中性子源

Outline of Annual Research Achievements

液体中で相互作用する複数の気泡の挙動を表すモデル方程式“coupled Keller-Miksis 方程式”等の方程式系をもとに、特に負の圧力下で膨張・収縮運動するキャビテーション気泡のダイナミクスについて解析的検討を行い、次のような成果を得た：
(1) 振幅が1気圧を超える大振幅圧力波中に置かれた2つの気泡について数値解析し、稀なケースではあるものの、膨張時の気泡の最大半径が気泡の相互作用によって増大する場合があることを見い出した。これは以前の解析から見つかっているものとは正反対の効果であり、過去に幾つかの実験で見つかっている現象を説明し得るものである。
(2) 気泡間相互作用と液体の粘性の連成効果を調べるため、液体の粘性係数を変数とするパラメータスタディを行った。それにより、ある特殊な場合においては気泡間相互作用が粘性散逸の効果を弱め、より弱い負圧でもキャビテーションが発生するようになることを見い出した。
(2) 多数の気泡が乱雑に相互作用する系にまで議論を広げることを目的に、多気泡系を記述する方程式系を再整理した。この時、素粒子論の分野で用いられる技法を参考にした。
(4) J-PARC中性子源で試みているマイクロバブル注入による圧力波／キャビテーション抑制に関連し、多数のガス気泡を含む液体中の圧力波伝播を計算するコードと coupled Keller-Miksis 方程式を解くコードを連立させ、水銀への陽子ビーム入射からキャビテーション発生までの一連の過程を模擬する計算を行った。それにより、圧力波の正圧部にはほとんど影響が見られない気泡条件（半径と数密度）においても、負圧部とキャビテーション挙動には大きな減衰が起こる場合があることや、十分に小さいマイクロバブルを作ることができれば、その総量が極めて少ない場合にも抑制効果が期待できること等を見いだした。