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プラズマを利用したキャビテーション気泡内圧力・ガス種リアルタイム同時計測

研究課題

研究課題/領域番号 20K20969
研究種目

挑戦的研究(萌芽)

配分区分基金
審査区分 中区分19:流体工学、熱工学およびその関連分野
研究機関東北大学

研究代表者

佐藤 岳彦  東北大学, 流体科学研究所, 教授 (10302225)

研究期間 (年度) 2020-07-30 – 2023-03-31
研究課題ステータス 完了 (2022年度)
配分額 *注記
6,500千円 (直接経費: 5,000千円、間接経費: 1,500千円)
2021年度: 2,600千円 (直接経費: 2,000千円、間接経費: 600千円)
2020年度: 3,900千円 (直接経費: 3,000千円、間接経費: 900千円)
キーワード気泡 / 圧力 / 放電 / 分光 / 水素 / 酸素 / 窒素 / OHラジカル / パッシェンの法則 / 平行平板電極 / レーザー誘起気泡 / 広範囲圧力計測
研究開始時の研究の概要

プラズマの発生は,ガスの圧力pと電極間距離dの積pdと放電開始電圧Vを関係づける「パッシェン曲線」に従う.任意の電極間距離を有する平行平板電極を水中に設置し,一方の電極に任意の電圧を印加し,電極間にレーザー誘起気泡を発生させる.気泡は膨張し電極に接し,電極間の空間を気泡で満たす.気泡内の圧力は膨張と共に減少し,それに伴い放電開始電圧が低下すると,電極間で放電が発生し放電開始電圧が求まり,気泡内圧力が求まる.さらに,放電時の発光分析により気泡内のガス種を特定することで,圧力・ガス種を同時に計測する。

研究成果の概要

本研究では、単一キャビテーション気泡の気泡崩壊時に発生する衝撃波、化学反応、発光などの物理現象を支配する重要な因子である気泡内圧力やガス種を実験的に計測する手法を開発し計測することに成功した。単一キャビテーションの気泡内圧力は、放電現象を利用した新しい圧力測定法の開発により、気泡最大径における気泡内圧力が 0.39×10^5 [Pa] であることを明らかにした。また、気泡内にプラズマを発生させ発光を分光することで含まれるガス種を特定する手法を開発し、水蒸気を起因とするOHラジカルや水素原子、酸素原子の他に、窒素分子や酸素分子が含まれていることを明らかにした。

研究成果の学術的意義や社会的意義

本研究は、単一キャビテーション気泡の物理化学現象を理解する上で重要な気泡内圧力や含まれているガス種を明らかにした。これにより、飽和蒸気圧を仮定した理論・数値解析をさらに発展させ、未解明であったキャビテーション現象をより深く理解することが可能になるなど学術的意義のある成果となった。また、産業分野においても計測困難なキャビテーション現象を計測する手法を提供するとともに、より精緻な予測による産業機械の設計などへの展開が期待できることから、社会的意義が高い成果となった。

報告書

(4件)
  • 2022 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2021 実施状況報告書
  • 2020 実施状況報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2022 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 学会発表 (11件) (うち国際学会 7件、 招待講演 2件) 図書 (1件) 産業財産権 (2件) (うち外国 1件)

  • [国際共同研究] スイス連邦工科大学ローザンヌ校(スイス)

    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] 水蒸気中の冷却管近傍における不凝縮ガス計測2022

    • 著者名/発表者名
      堀内堅斗, 橘洋司, 中嶋智樹, 劉思維, 忰田正浩, 佐藤岳彦
    • 学会等名
      第32回環境工学総合シンポジウム2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] Formation of post-collapse bubbles of laser- or spark-induced bubbles2022

    • 著者名/発表者名
      Takehiko Sato, Marc Tinguely, Masanobu Oizumi, Mohamed Farhat
    • 学会等名
      The International Symposium on Plasma & Fine Bubbles (ISPFB2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Degradation of Chlorinated Compounds by Treatment of Repetitive Plasma Discharges2022

    • 著者名/発表者名
      Siwei Liu, Tomoki Nakajima, Takehiko Sato
    • 学会等名
      12th International Symposium on Nonthermal/Thermal Plasma Pollution Control Technology and Sustainable Energy & International Symposium on Electrohydrodynamics 2022 (ISNTP-12 and ISEHD 2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Propagation processes of underwater streamers2022

    • 著者名/発表者名
      Takehiko Sato, Hidemasa Fujita, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko
    • 学会等名
      National Conference on Recent Developments and Evolving Trends In Plasma Science and Technology & Pre-Conference Workshop on Modelling and Simulation of Industrial Plasmas
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Visualization of Collapse Processes of Laser-Induced Cavitation Bubble2022

    • 著者名/発表者名
      Marc Tinguely, Kiyonobu Ohtani, Mohamed Farhat, Takehiko Sato
    • 学会等名
      22nd International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2022)
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] 水中放電による気泡生成における水の導電率の影響2022

    • 著者名/発表者名
      藤田英理, 佐藤岳彦, 金澤誠司, 大谷清伸, 中嶋智樹, 劉思維
    • 学会等名
      日本機械学会第100期流体工学部門講演会
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [学会発表] 水蒸気中の不凝縮ガス計測法の開発2021

    • 著者名/発表者名
      佐藤岳彦, 中嶋智樹, 堀内堅斗, 劉思維, 矢野猛
    • 学会等名
      第31回環境工学総合シンポジウム2021
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
  • [学会発表] Pressure Measurement in Laser-Cavitation Bubbles2021

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Uehara, Sayaka Kamata, Tomoki Nakajima, Yuka Iga, Seiji Kanazawa, Mohamed Farhat, Takehiko Sato
    • 学会等名
      21st International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI-2021)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] Formation and Measurement of Plasma Fine Bubbles2021

    • 著者名/発表者名
      Takehiko Sato, Satoshi Uehara, Ryo Kumagai, Takashi Miyahara, Masanobu Oizumi, Tatsuyuki Nakatani, Shiroh Ochiai, Takamichi Miyazaki, Hidemasa Fujita, Seiji Kanazawa, Kiyonobu Ohtani, Atsuki Komiya, Toshiro Kaneko, Tomoki Nakajima, Marc Tinguely, Mohamed Farhat
    • 学会等名
      12th Asia-Pacific International Symposium on the Basics and Applications of Plasma Technology (APSPT-12)
    • 関連する報告書
      2021 実施状況報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Improvement of Pressure Measurement Method in a Laser-Induced Cavitation Bubble2020

    • 著者名/発表者名
      Satoshi Uehara, Sayaka Kamata, Tomoki Nakajima, Yuka Iga, Seiji Kanazawa, Takehiko Sato
    • 学会等名
      20th International Symposium on Advanced Fluid Information (AFI2020)
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
    • 国際学会
  • [学会発表] レーザー誘起気泡中の圧力測定2020

    • 著者名/発表者名
      上原聡司, 佐藤岳彦, 鎌田さやか, 中嶋智樹, 金澤誠司, 伊賀由佳, ファーラット モハメッド
    • 学会等名
      日本機械学会第98期流体工学部門講演会
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書
  • [図書] 泡の生成・消泡の基礎と産業利用 (pp.290-300: 第9章 ファインバブルの利用, 7 ファインバブルを用いた殺菌・不活性化研究について)2022

    • 著者名/発表者名
      上田義勝, 佐藤岳彦, 高橋克幸, 高木浩一
    • 総ページ数
      300
    • 出版者
      シーエムシー出版
    • ISBN
      9784781316772
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
  • [産業財産権] LIQUID TREATMENT APPARATUS2020

    • 発明者名
      Jong-Shinn Wu et al.
    • 権利者名
      Jong-Shinn Wu et al.
    • 産業財産権種類
      特許
    • 出願年月日
      2020
    • 取得年月日
      2022
    • 関連する報告書
      2022 実績報告書
    • 外国
  • [産業財産権] 凝縮ガス中の不凝縮ガスの制御方法及び制御ユニット並びに判別方法及び判別ユニット2020

    • 発明者名
      佐藤岳彦, 五十嵐敬 他6名
    • 権利者名
      佐藤岳彦, 五十嵐敬 他6名
    • 産業財産権種類
      特許
    • 産業財産権番号
      2020-071783
    • 出願年月日
      2020
    • 関連する報告書
      2020 実施状況報告書

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公開日: 2020-08-03   更新日: 2024-01-30  

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