研究課題/領域番号 |
21H01248
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研究種目 |
基盤研究(B)
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配分区分 | 補助金 |
応募区分 | 一般 |
審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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研究機関 | 京都工芸繊維大学 |
研究代表者 |
渡村 友昭 京都工芸繊維大学, 機械工学系, 助教 (40777736)
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研究分担者 |
小笠原 紀行 大阪公立大学, 大学院工学研究科, 准教授 (00552184)
大友 涼子 関西大学, システム理工学部, 助教 (00726862)
杉山 和靖 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (50466786)
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研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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配分額 *注記 |
17,810千円 (直接経費: 13,700千円、間接経費: 4,110千円)
2023年度: 3,380千円 (直接経費: 2,600千円、間接経費: 780千円)
2022年度: 4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2021年度: 10,270千円 (直接経費: 7,900千円、間接経費: 2,370千円)
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キーワード | 混相流 / 気泡 / 多体干渉 / 集団性 / 溶解 / 粒子 / 多対干渉 |
研究開始時の研究の概要 |
流体中に分散した無数の粒子や気泡など密度差をもつ分散体が重力に従って運動するとき,傾斜容器内部で生じる清澄分離に起因した容器規模の大規模な密度差対流が生じ,分散体の粗密分布構造が現れる.現象を清澄部と懸濁部を不混和二流体と近似することで,清澄部の流動不安定を評価できる.しかし,懸濁液の連続体近似に関する数理的な理解不足により,実験結果から流動場を事後評価することしかできていない.本研究は懸濁液中における密度流の出現に着目し,連続体と離散体の力学モデルを構築することで,清澄層の形成と非定常流動や三次元流動への遷移を希薄限界と関連付けて説明する.
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研究実績の概要 |
傾斜容器内における気泡流の対流開始を調査するため,個別気泡のIBM-DEMカップリング界面追跡シミュレーションを行った.解析領域を準二次元と設定し,変形しない軽量固体粒子の運動と周囲液体の流動を再現した.なお,分散体と連続体の運動量交換と,分散体同士,分散体と容器壁の運動学的条件を考慮している.流動の時間スケール,弾性衝突の時間スケール,気泡の並進や回転の加速時間スケールの異なる時間スケールを効率的に補足するために,ラグランジュ追跡に陰的解法を採用した.気泡間の隙間流れを解像することが可能となり,極めて密な気泡(フォーム)の流動におけるボイコット効果の発現を再現した.ビールやシャンパンなどのフォーム内部に循環流が生じることを確認しており,実験と数値計算の定性的な一致を確認した. 過飽和液体中の気泡の成長を調査するため,レーザ誘起気泡を用いた.二気泡の成長が過飽和度に依存することを明らかにした.また,複数気泡の干渉浮上を観察するため,ストークス動力学を用いた.気泡が疎な状態では対流速度が気泡の移動に伴う体積置換で説明できるとを示した.
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現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
申請書に記載した通りに課題に取り組むことができている.しかし,CFD-DEM計算の負荷が大きくパラメトリックスタディが困難なため,進捗がやや遅れている.
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今後の研究の推進方策 |
過飽和水溶液において,自由浮上する複数気泡の直径変化と粗密クラスタ構造の空間発達を観察する.本課題で構築した気泡初生システムを用い,任意形状の気泡群を初生させる.気泡初期位置に加え,界面活性剤濃度や水溶液の粘度による気泡群運動の変調と気泡直径の分布を調査し,均一な気泡の生成条件,つまり気泡の密を避ける流体力学的条件,を実験的に解明する.清澄層の発達を代数的に求めるため,数値計算による多対干渉流動を評価する.埋め込み境界法や二流体モデル,ストークス動力学法によるシミュレーションを行い,複数分散体の流動スケーリングを行う.
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