| 研究課題/領域番号 |
20K04296
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 都城工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
藤川 俊秀 都城工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (10777668)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2022年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2021年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2020年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
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| キーワード | 非循環型キャビテーションタンネル / キャビテーション流れのCFD解析 / 気泡力学 / 気泡核成長の動的閾値理論 / 張力 / キャビテーション / 気泡力学解析 / CFD解析 / 高速超純水用小型非循環型キャビテーションタンネル / 気泡核生成 / 並進減圧 / 初生理論 / 高速超純水用小型キャビテーションタンネル / 乱流 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究は，高速水流中に置かれた円柱のはく離点近傍で生成する単一気泡核がキャビテーション初生に至る機構と条件をEFD，CFD，気泡力学で解明する．ここで，初生とは円柱表面での流れのはく離，はく離点での気泡核生成，その後の気泡の成長と離脱，成長を伴う気泡の並進運動を経て，気泡が際限なく成長する過程をいう．実験は，高純度純水あるいは固形物をフィルタで除去した水道水を用い，水温と空気含有度を調節して，はく離点近傍での流速と圧力を制御できる非循環型キャビテーションタンネルにより行う．理論解析では，NS方程式の3次元CFD解析により，単一気泡核の成長と並進運動を追跡する．成長は気泡力学に基づいて解析する．
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| 研究成果の概要 |
本研究は高速水流中の円柱表面近傍で局所的な張力により単一気泡核が成長する問題について，気泡核成長の機構と条件を動的閾値の観点から理論と実験により明らかにしたものである．まず気泡力学の基礎方程式（Rayleigh-Plesset方程式）から非線形モデル方程式を導出して動的閾値を定式化した．次にCFD解析による乱流場で，水の非平衡蒸発，熱伝導，気泡壁での並進減圧を考慮することにより，気泡核の成長と並進運動をラグランジュ的に追跡して動的閾値の正しさを確認し，実験により検証した．その結果，従来の静的閾値は気泡核成長の必要条件であり，動的閾値は成長の十分条件であることを明らかにした．
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
① 高速水流中の円柱表面近傍で局所的な張力により単一気泡核が成長する場合，単一気泡核の並進運動をラグランジュ的に追跡し，気泡壁での非平衡蒸発，熱伝導，並進減圧を考慮してRayleigh-Plessetの式により気泡核の成長を解析，その結果を実験と比較して気泡核成長の動的閾値（張力，持続時間，気泡核半径の関係）を解明した（学術的意義）．
② 本報告者らが提案した動的閾値は流体機器内のキャビテーションのみならず，キャビテーションを利用したディーゼルエンジンの燃料霧化，水中ウォータージェット，水処理などにおいてもノズル設計に係る有用な成果である（社会的意義）．
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