| 研究概要 |
気液二相流動にとって,気液界面における質量,運動量,エネルギーの輸送現象は,最も基礎的な現象である.例えば,液体中に多くの気泡を含む気泡流の場合,界面活性剤の混入により,気泡同士の合体が妨げられたり,気泡の上昇速度が減少することにより,流動構造全体に大きな影響を与えうることが知られている.本研究では,これらの知見に基づき,液中に存在する界面吸着物資の濃度と表面構造の関係の解明,さらに,物質濃度の違いがマクロな流動へ与える影響に対する定量的解析を研究の目的としている.
本年度は,超純水を用いた実験と,連続体としての基礎方程式を用いた数値計算を行った.実験においては,超純水中に3-ペンタノールを混入することにより,界面活性剤が単一気泡の終端速度に与える影響について調べた.実験結果より,従来の知見と同様,界面活性剤の微量の混入により上昇速度が減少するのが確認された.また,数値計算においては,直交曲線座標系による解析を行い,界面活性剤の濃度と気泡に働く抗力の関係について解析した.この際,界面活性剤のモデルとして,よく知られているHenry型とLangmuir型の吸着モデルを用い,数値計算を行った.計算結果より,微量な界面活性剤の混入においても,界面吸着物質のもたらすマランゴニ効果により気泡に働く抗力が著しく増加する可能性があること,気泡径が等しく終端速度が同じ場合,レイノルズ数が高いほどマランゴニ効果が大きくなることなどが示された.また,純水中とは異なり,マランゴニ効果により気泡後部に2次渦を伴う剥離渦が形成される様子がシミュレートされた.Henry型とLangmuir型の違いについても定量的な評価を行い,それぞれのモデルの適用範囲やマランゴニ効果のみで説明できる現象の限界について知見を得た.
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