| 研究課題/領域番号 |
21K03897
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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19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
松本 充弘 京都大学, 工学研究科, 准教授 (10229578)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2025-03-31
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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 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2022年度: 1,820千円 (直接経費: 1,400千円、間接経費: 420千円)
2021年度: 1,430千円 (直接経費: 1,100千円、間接経費: 330千円)
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| キーワード | 流体相変化 / マイクロ流路 / 流れの可視化 / 画像解析 / 気泡ダイナミクス / 無機電解質 / 表面粗さ / 積分幾何学 / 構造形成 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
蒸気洗浄による積層鋼板の絶縁油除去を発端として，10-100 μm スケールの平板間隙に閉じ込められた液体が減圧下で示す，特異な蒸発や断続的・局所的な沸騰などを伴う複雑流れを対象として，可視化実験によるデータ解析と物理化学的モデリングを行い，こうした輸送現象を支配する主要因子を特定する．このために，
・サンドブラスト加工したガラス板と高速度カメラによる可視化実験を行う．
・壁面粗さ，濡れ性，液体粘性，表面張力，溶存気体など，この複雑流れを支配していると思われる主要な制御パラメタを物理化学的な側面から検討する．
・擬２次元液体中の亀裂の発生など，低粘度流体に特有の現象を扱う数理モデルを構築・検証する．
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| 研究実績の概要 |
本課題研究は，変圧器（トランス）の鉄心等に用いられる積層鋼板間隙にしみこんだ絶縁油を安全・高効率で除去する蒸気洗浄技術の開拓を発端として，10μmスケールの平板間隙に閉じ込められた液体が減圧下で示す複雑流れを対象として，可視化実験によるデータ解析と流体物性に基づく物理化学的モデリングを行おうとするものであり，2018-2020年度に実施した研究（科学研究費補助金 基盤研究(c) 18K03976）の成果をさらに発展させるべく，2021年度より開始した．
最終年度にあたる2023年度は，これまでに種々の改良をおこなった実験装置を用いて，画像解析手法の深化を図るとともに，減圧下で電解質水溶液内に生じる擬２次元気泡のダイナミクスを詳細に解析した．
(1) 装置の改良：真空系を刷新して到達真空度を改善する試みをおこなうとともに，流路幅のコントロールや照明系・画像撮影系の改良をおこなった．
(2) 画像解析手法の改良：新たに，pythonライブラリを活用した画像解析コードを開発し，気泡判別法の最適化により，気泡サイズの変化をリアルタイムでデジタルデータとして取得することが可能になった．
(3) これらの改良により，無機電解質水溶液中の擬２次元気泡の成長・合体ダイナミクスを解析し，電解質の種類や濃度への依存性を議論した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
(1) 装置・実験方法の改良と測定：測定装置系（真空チェンバー，光学系，流路系）にさらに改良を加えて，以下の実験を行った．
1-1: 真空チェンバー内の複数箇所に温湿度センサーを設置し，減圧実験中の水蒸気圧（水蒸気密度）の測定を試みた．入手できた温湿度センサーは0℃～50℃程度の範囲で，相対湿度0～100%の空気の測定を対象とした汎用的なものであるが，絶対湿度に換算することで，減圧下での水および無機電解質水溶液の蒸発過程を追跡するという本研究の目的で十分に使用できることがわかった．これにより，間隙内のパターン形成と水蒸気密度の関係を議論できるようになった．
1-2: 光学系に関して，平面LEDによる均一照射を改良する共に，残存する照度ムラを画像解析時に軽減する工夫をとりいれた．
1-3: 流路系に関して，これまではすりガラス板を直接重ね合わせることにより表面粗さによって自然に生じる間隙を対象とした実験をおこなってきたが，新たに，ガラス板の間に一定厚さの金属箔をスペーサとして挟み込むことで，80μm程度の間隙を作成することが可能となった．この間隙内に各種濃度の無機電解質水溶液を閉じ込め，減圧下での擬２次元気泡の発生・成長・合体を観測した．
(2) 画像解析手法の開発：4K, 60fps程度で撮影された液体挙動動画から，擬２次元気泡ダイナミクスを精度よくリアルタイムで解析するため，新たに，pythonライブラリを活用した画像解析ソフトウェアを開発した．これにより，撮影画像から半自動で気泡面積や気泡周長を解析できるようになった．
現在，以上の研究成果を国際会議で発表（2024年9月）することが決定するとともに，学術論文を執筆中であり，主としてその海外旅費や出版費に充てるため本基盤研究の2024年度への期間延長をおこなった．
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| 今後の研究の推進方策 |
2024年度への期間延長を行い，研究経費の一部を2024年度に使用する予定だが，これは主として，研究成果を国際会議で発表するための出張旅費，ならびに学術論文出版費に充てるものであり，新規の実験やデータ解析を行う予定はない．ただし，論文執筆段階において，追加実験などが必要となる可能性があるため，試薬の追加購入（消耗品）を行う可能性はある．
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