2013 Fiscal Year Annual Research Report
圧力波によるキャビテーション気泡の初生及び崩壊の物理の解明
| Project/Area Number |
25289034
|
|---|
| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
|
| Research Institution | Osaka Prefecture University |
|---|
Principal Investigator |
高比良 裕之 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (80206870)
|
|---|
| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
小笠原 紀行 大阪府立大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00552184)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
|
| Keywords | 流体工学 / キャビテーション / 気泡 / 圧力波 / 相変化 |
|---|
| Research Abstract |
非平衡相変化を考慮した改良Ghost Fluid法を用いて，衝撃波と気泡との干渉および二平行壁面間の気泡の崩壊を解析した．二平行壁面間で気泡が崩壊する場合には，相変化が気泡崩壊時の気泡形状に及ぼす影響が小さいこと，本数値計算による気泡の崩壊形状は実験と定性的に一致することが示された．
パルス波を気泡に照射した際の気泡界面での反射による液体中の負圧の形成を，Ghost Fluid法を用いてシミュレートした．その結果，超音波の後方散乱による負圧の形成は，気泡の崩壊時間と超音波の伝播時間との比(気泡径と入射波の波長との比に比例)で整理できること，一次キャビテーション周辺の二次キャビテーションの初生域を概ね予測できることが示された．また，集束超音波発生装置を製作し，シャドーグラフ法を用いて，集束超音波の焦点近傍でのキャビテーションと音場の同時高速度ビデオ撮影を行った結果，本集束超音波により，一次及び二次キャビテーションが成長することが確認された．また，血管内での気泡の振動モデルを構築し，血管内での系の固有振動数を導出した．
狭い平面流路内でレーザ誘起気泡を生成し，その成長崩壊挙動を高速度ビデオカメラで観測するとともに，気泡崩壊時に発生する衝撃波を可視化した．流路幅(W)と気泡の最大径(Rmax)との比が気泡の崩壊特性に及ぼす影響を調査した結果，W/Rmaxが約1.3以上の場合には，気泡は上下に分離し壁面方向に液体ジェットが発生するが，W/Rmaxが1程度になると気泡はほぼ初期位置を保って中立崩壊することが明らかとなった．また，実験に対応する数値計算の結果，中立崩壊時の壁面最大圧力は，上下に分離する場合の圧力よりも低下することから，気泡が中立崩壊する条件では，壁面の材料損傷が軽減する可能性が示された．さらに，三次元境界要素法を用いて，U字型境界近傍での気泡の成長崩壊を解析した．
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
集束超音波を用いたキャビテーション初生実験において，集束超音波の焦点近傍でのキャビテーションの初生と音場の同時高速度ビデオ撮影に成功した．また，狭い流路内での気泡の成長崩壊実験において，気泡の崩壊形状及び気泡崩壊時に発生する衝撃波の可視化に成功した．特に，気泡の最大半径が流路幅に比べて大きな場合に観測された中立崩壊は，非常に興味深い現象であり，材料損傷との関連が注目された．さらに，これらの実験結果に対応する数値解析を行った結果，数値シミュレーションにより実験結果を定性的に再現できることが確認された．
|
| Strategy for Future Research Activity |
集束超音波を用いたキャビテーション初生実験においては，一次キャビテーションを想定した大きさを制御した気泡核として，集束超音波の焦点付近に生成したレーザ誘起気泡を利用する計画である．レーザ誘起気泡を生成するタイミングを集束超音波の位相を考慮して制御することにより，キャビテーション気泡の成長に必要な音圧と気泡核サイズを算定する．また，実験に対応する数値解析を行い，二次キャビテーションの初生機構と初生域を明らかにする．
狭い流路内での気泡の成長崩壊実験においては，流路幅に比べて気泡の最大半径が大きい場合に観測された中立崩壊に着目する．実験容器の静圧を適切に制御することにより，レーザ誘起気泡の最大半径をコントロールした実験を行い，中立崩壊が発生する条件を明らかにするとともに，中立崩壊と材料損傷との関係の解明を目指す．また，得られた実験結果を基にして，改良Ghost Fluid法及び三次元境界要素法による数値解析を行い，実験を定量的に予測可能な数値計算法の確立を目指す．あわせて，U字ブロック境界近傍でのレーザ誘起気泡の成長崩壊を高速度ビデオ撮影するとともに，改良Ghost Fluid法及び三次元境界要素法による数値解析を通して，圧力勾配が二方向以上ある場合の気泡の挙動を明らかにする．
|
