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溶融金属へのガス吹き込みは、金属精錬プロセスで一般的に行われている重要な操作であり、その精錬特性を明確にするために溶融金属自由表面の波動および流動特性を把握する必要がある。この観点から本研究では、通気撹拌系における液自由表面の挙動を含む流動現象の解明と、金属精錬プロセスにおいて重要な介在物挙動および気液間物質移動機構について考察することを目的とした。
1.液自由表面の波動および乱流計測:水モデル実験槽を対象として液面の平均形状、変動振幅、変動周波数、液面上下動速度、および乱流変動の情報を種々のガス流量と装置条件で測定し、流れと液面変動の関係を考察した。
2.乱流のシミュレーションモデルの開発:乱流拡散による気泡分散と気泡と液の相対運動による乱流生成を考慮したシミュレーションモデルを開発した。エネルギー消散速度の計算値は、系に投入される撹拌動力密度と良く一致した。
3.介在物の槽内分布の解析:中空ガラス粒子を通気撹拌槽内に投入し、その分布状態を測定した。粒子の巻き込みが始まる臨界ガス流量と粒子径の関係を経験式にまとめた。上記のシミュレーションモデルで得られた流速分布を基礎に、系内の粒子濃度分布を算出した。結果は実測の分布の傾向を表し得たが、定量的に一致させるためには液自由表面の粒子の巻き込み抵抗を考慮する必要があった。
4.気液間物質移動の解析:乱流渦による表面更新を考慮したEddy-Cell Modelを適用して、気泡分散領域および液自由表面の気液間容量係数を算出した。前者の領域の計算値は申請者らの過去の実測値と一致したが、後者の領域は表面の波動の影響を考慮する必要があった。
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