混相流混合現象解明を目指した光吸収ベロシメトリー構築への挑戦

研究課題

研究課題/領域番号	22K03901
研究種目	基盤研究(C)
配分区分	基金
応募区分	一般
審査区分	小区分19010:流体工学関連
研究機関	東京工業大学
研究代表者	高橋秀治東京工業大学, 工学院, 准教授 (50625960)
研究期間 (年度)	2022-04-01 – 2025-03-31
研究課題ステータス	交付 (2023年度)
配分額 *注記	4,290千円 (直接経費: 3,300千円、間接経費: 990千円) 2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円) 2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円) 2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
キーワード	混相流 / 光吸収 / ベロシメトリー / 波長可変半導体レーザ / 可視化
研究開始時の研究の概要	工業プロセスの安全・高度化のためには、多成分系流体の成分分布・温度・流速を可視化できるツール開発が必要とされている。本提案は多成分系流体の成分・濃度・温度・流速を可視化可能なツール開発を目指して、「混相流混合現象解明を目指した光吸収ベロシメトリー構築への挑戦」と題し、流体に波長可変半導体レーザを照射し、光吸収分光法により、流体の成分・濃度・温度・流速を可視化する手法を開発し、工業プロセスの安全・高度化及び、混相流の混合流動現象解明へ貢献する。
研究実績の概要	原子力を含む工業プロセスの安全・高度化のためには、多成分系流体の成分分布・温度・流速を同時に可視化できるツール開発が重要であるが、本研究では多成分系流体の成分・濃度・温度・流速を可視化可能なツール開発を目標に、多成分流体に半導体可変波長レーザを照射し、光吸収分光法により、流体の成分・濃度・温度・流速を同時に可視化する手法を開発し、工業プロセスの安全・高度化及び、混相流の混合流動現象解明への貢献することを目指している。近年、波長可変半導体レーザは、光源として近年量子物理や通信分野で注目を集めており、本研究ではこの波長可変半導体レーザを用い、波長掃引を行い、吸収スペクトルを瞬時に取ることを可能としている。初年度に、圧力容器へ単一のレーザ光ビームのみのシングルレーザパス条件にて、レーザを透過させ、シングルレーザパス条件における温度・濃度の光吸収特性に関する基礎データを得ることができたとともに本開発計測手法の有効性を明らかにしたことを受けて、本年度は、研究計画通り、マルチパス化のための光学機器の設計・製作を行い、気相の温度・濃度を取得し、有効性検証を行った。マルチパスシステムの構築（フォトアンプ、光学機器マウント等の製作等）、マルチパスでの蒸気の温度・濃度検量線の作成及び実証実験を行い、本提案手法の有効性を確認した。また、前年度の研究進捗に伴い環境外乱が本計測手法へ与える影響を補正する計測手法の高度化が必要であることが判明したため、その高度化開発を行った。
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本年度の研究を通して、マルチパス化のための光学機器の設計・製作を行い、気相の温度・濃度を取得し、有効性検証を行うなかで、マルチパスシステムの構築、マルチパスでの蒸気の温度・濃度検量線の作成及び実証実験を行い、本提案手法の有効性を確認するとともに、一方で、前年度の研究進捗に伴い環境外乱が本計測手法へ与える影響を補正する計測手法の高度化が必要であることが判明したが、その高度化も本年度に遂行され、全体としてはおおむね順調に進展しているものと考えられる。
今後の研究の推進方策	最終年度は、予定通り、マルチパスシステムを発展させ、流れの上流及び下流の2か所にアレイユニットを構築し、両者での気相の温度・濃度等の相互相関係数から流速計測を行うためのシステムを開発・構築し、原理実証、有効性評価を行う予定である。ここでは、温度・濃度相関係数による流速計測システムの構築（圧力容器の蒸気吹き出し口の改良と光学機器マウントの製作）、温度・濃度相関係数による流速計測実験を行い、さらには、二酸化炭素ガスとの混合過程プロセスの計測有効性についても検証する予定である。