蒸気中における液滴固体面衝突後に発達する高速液膜流れ不安定性現象に及ぼす凝縮効果

2015 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 26289031
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 渡部 正夫 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (30274484)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 真田 俊之 静岡大学, 工学部, 准教授 (50403978) ; 小林 一道 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80453140) ; 矢口 久雄 群馬工業高等専門学校, その他部局等, 講師 (20568521) ; 藤井 宏之 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00632580)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: 流体力学 / 混相流 / 熱工学 / マイクロ・ナノデバイス

Outline of Annual Research Achievements

本研究の目的は，平均場運動論理論から得られるEnskog-Vlasov方程式を用いて，強い非平衡状態にある高速で移動する気液界面近傍での非定常熱・物質輸送現象を解明することである．相変化現象は局所平衡が成立しないため，気液界面近傍は本質的には非平衡状態であるが，気液界面が高速で移動している場合には，さらに強い非平衡状態となる．局所平衡が仮定される流体力学は適用できず，気液界面近傍の輸送現象の解析は大きな困難を伴う．本研究では，運動論理論を用いて強い非平衡状態にある気液界面近傍での熱・物質輸送現象を定量的に評価する．さらに，得られた結果を整理し関数群の形で記述することにより，局所平衡が仮定される流体力学の枠組み内で使用可能な，気液界面近傍の熱・物質輸送を記述する境界条件を構築する
運動論理論の数値解析手法の一つであるEV-DSMC法を用いて，強い非平衡状態の非定常気液界面近傍の非定常熱・物質輸送現象を記述するEnskog-Vlasov方程式の数値解析手法を構築した．特に高速で移動する強い非平衡状態となっている相変化を伴う非平衡・非定常気液界面熱・物質輸送現象を観察することに成功した．
流体力学解析に，分子気体論に基づく気液界面境界条件を適用する手法について検討した．相変化をより正確に記述可能なSone-Onishiモデルの流体解析手法への適用方法（流体解析における計算格子の物理量と分子気体論に基づく界面近傍の物理量との関係）を示した．
相変化を含む数理モデルを解く計算手法を構築した．気泡内外の温度場を求める積分方程式と積分微分方程式を解き，16個の方程式を連立させることで，相変化を伴う気泡の挙動を数値計算することにより，物理的諸量を求めた．計算結果を解析解と比較することで，その手法の妥当性を示した．また，気泡の収縮と膨張に伴い気液界面で生じる質量流束の時間変化を調べた．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究の目的は，液滴の固体面衝突後に進展する高速液膜流れの不安定現象に及ぼす周囲蒸気の凝縮効果を明らかにすることである．本年度は，前年度で構築された装置を用いて，以下の４項目について研究を行った．
１．固体表面衝突後の液滴ダイナミクスに及ぼす温度パラメータの寄与：　飽和蒸気内での衝突実験を行うためには，固体表面衝突後の液滴ダイナミクスに及ぼす温度パラメータの寄与と相変化の寄与とを区別して検討しなければならない．そのため，まず，固体表面衝突後の液滴ダイナミクスに及ぼす温度パラメータの寄与について検討した．
２．異なる接触角を有する固体表面への液滴衝突の観察：プラズマ表面改質装置を用いることにより，異なる接触角を有する固体表面への液滴衝突および衝突後の流れ，特に液滴衝突直後のマイクロジェットと呼ばれる流れを詳細に観察した．衝突速度を変化させることにより，衝突直後に形成させる液膜の速度を変化させ，異なる濡れ性を有する固体表面におけるスプラッシュ発生速度閾値を検討した．
３．真空チャンバ内での高速液滴衝突：前年度成功しているコイルガンの多段化をさらに発展させると共に衝突板形状を検討することによって，低圧力下での高速液滴実験の液滴衝突時における到達最大速度を30m/s程度まで実現可能とした．今年度は，実験の再現性を重視し，到達最低圧力を10kPaとして信頼性の向上を図った．
４．高速液ジェット発生装置の開発：ジェットおよび二次液滴が高速で固体表面に衝突する場合の，固体面衝突後の液膜流れの不安定性現象に及ぼす周囲気体圧力および周囲気体の凝縮効果について調査する．前年度構築した液滴射出装置を真空チャンバ内で使用可能とするために，高速液ジェット発生装置によって生成される液ジェットの不安定性について検討し，制御性の向上を図った．

Strategy for Future Research Activity

前年度までで構築された装置を用いて，前年度に引き続いて蒸気中の高速液滴衝突を観察し，液膜進展速度，液膜先端部形状，液糸数/ 成長速度を計測し不安定性現象を定量的に評価し，実験結果を比較検討し周囲気体速度効果を考察する．
１．蒸気中の衝突後の液滴ダイナミクスの観察：　蒸気としてエタノールを用い，エタノール液滴衝突実験を行う．周囲気体が凝縮する場合には不安定性が抑制されるかを実験的に検証し，Xuらの提案するモデルを用いてスプラッシュ閾値が説明できるかを議論する．特に，プロンプトスプラッシュの発生限界を探るため，より低圧力中における高速液滴衝突実験を行う．より高速で安定な衝突現象を実現し， スプラッシュ発生限界の知見を拡大する．より低圧力環境下での実験においては，シリコンオイル等を用いることも検討する．
２．真空チャンバ内液滴射出装置を用いた高速微小液滴衝突：前年度開発された液滴および液柱射出装置を改良し，すでに製作済みの真空チャンバ内に設置することにより，液滴および液柱が高速で固体表面に衝突する場合の，固体面衝突後の液膜流れの不安定性現象に及ぼす周囲気体圧力および周囲気体の凝縮効果について調査する．特に，液滴列と液柱とにおける衝突現象の相違を検討することにより，液滴衝突時における液膜の役割について知見を得る．
３．異なる接触角を有する固体表面への液滴衝突の観察：プラズマ表面改質装置を用いることにより，液滴と固体表面との接触角を制御することに前年度成功している．前年度に引き続いて，異なる接触角を有する固体表面への液滴衝突および 衝突後の流れ，特に液滴衝突直後のマイクロジェットと呼ばれる流れを詳細に観察する．今年度は特にプラズマ表面改質手法を改良することにより，接触角のパラメータレンジを大幅に向上させ，不安定性現象発生の初期過程について詳細に解析する．

Causes of Carryover

本年度当初計画では，積層圧電アクチュエータ，高精度シリンジ，高精度針を用いることにより，衝突速度が20m/s程度まで到達可能な高速微小液滴射出装置を真空チャンバ内部に設置し，真空チャンバ内部での液滴衝突実験を行う計画であった．
しかしながら，現状の高速微小液滴射出装置の機構を検討した結果，微小液滴衝突実験を行うためには再現性および制御性が困難であることが判明したため，液滴衝突に限定せずに液ジェット衝突も含めた広義の液体衝突を観察することに計画の一部を変更した．そのために，液ジェットを安定に生成するための検討が必要となり，射出装置の実験制御機構等について未だ不十分の点があり，実験装置制御機構開発費が未使用であるため，次年度使用額が生じた．また，真空チャンバに関しても改良の余地が残されているために，真空チャンバ調整費が未使用であるため，次年度使用額が生じた．

Expenditure Plan for Carryover Budget

本年度改良を行った高速微小液滴射出装置は，積層圧電アクチュエータ，高精度シリンジ，高精度針を用いて構成されている．大気圧下での制御性は大幅な向上が図られたが，　真空チャンバ内での動作性が未確認であるため，特にシリンジ・高精度針の組み合わせを詳細に検討する必要がある．制御性を向上させるために，次年度使用額の一部を使用する．また，この高速微小液滴射出装置は，真空チャンバ内で使用することを目的として設計・開発しているものである．そのため，実験システムの自動化が必要不可欠となっている．そのため，実験装置制御機構の開発のために，次年度使用額の一部を使用する．
さらに，自動化システムが構築されて初めて，真空チャンバの設計・開発が可能となる．実験の段階に応じてシステムが可変となる自由度の高い真空チャンバの調整のために，次年度使用額の一部を使用する．