2014 Fiscal Year Annual Research Report
気液マイクロ流の界面形状制御を支援する多重スケール解析
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24560185
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
杉山 和靖 大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (50466786)
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| Project Period (FY) |
2012-04-01 – 2015-03-31
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| Keywords | 気液二相流 / 流体工学 / シミュレーション工学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，毛細血管を通過できる微細気泡の寸法制御を見据え，気液マイクロ二相流の界面の分裂，気泡の生成に至るまでを再現する計算手法を整備してきた．これまで，ヘルショウ流れの近似が成り立つアスペクト比（流路幅/流路厚さ）の大きな薄厚チャネルを対象とし，液相流れの慣性影響を考慮した基礎方程式（ラプラス則，二次元オイラー・ダルシー方程式）を導出し，境界要素法に基づき，気液界面分布の時間変化を捉える方法を開発した．当該年度は，要素間隔の均一化，要素分布の平滑化処理の手続きを導入することで，数値安定性や解の精度を高めた．そして，開発した計算コードを用いて，気相・液相の２つの入口流路と，気液相が合流し下流へと流れていく出口流路からなるT字型マイクロチャネル内の気液界面の過渡的運動を数値解析した．流路形状を相似とし，流路寸法と作動条件（気相・液相流量， 気相流入部・液相流出部圧力）をパラメータとして，合流部で気液界面が分裂し，気泡生成へと至る挙動を調査した．従来の実験によると，出口圧力を固定し，液相流量を上げると，生成気泡径が小さくなるものの，ある流量を超えると気泡の生成が起きなくなる「気泡生成限界」があり，本計算において，生成限界に至る様子を捉えることに成功した．また，従来の実験によると，生成限界における気泡径は，低レイノルズ数流れであるにもかかわらず，粘性影響を指標するキャピラリ数ではなく，慣性影響を指標するウェーバー数で整理できることが示されている．本計算においても，物性値を実験に合わせると，生成限界気泡径とウェーバー数の関係を概ね良く再現することから，慣性影響の重要性を確認した．さらに，粘性係数や表面張力を大きく変える，基礎方程式に含まれる慣性影響を無視するなど，実験が困難な条件での計算を行ない，特に気泡生成におけるスケール則が粘性係数に大きく依存することを明らかにした．
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