| 研究概要 |
本研究の目的は、一様な速度勾配を持つ液流中における単一気泡の形状や運動特性に関する実験結果を基に、信頼できる気泡運動の予測モデルを構築することを目的としている。このため、安定した一様な速度勾配流れバを形成できる実験装置を作成し、その速度場をLDVを用いて計測し、様々な濃度のグリセリン水溶液で安定した液相速度場が形成されていることを確認した。次に、気泡形状、等価直径、気泡の2次元位置および速度を計測できる画像計測手法を構築した。本計測手法を速度勾配を持つ液流中を上昇する単一気泡に適用し、気泡径、液相速度勾配、物性値をパラメータとした広範囲にわたる実験データベースを構築した。さらに、実験で得られた気泡の軌跡から揚力係数を算出するプログラムの作成を行い、揚力係数に関する実験データベースを構築した。以上の実験データベースの基づき、揚力係数と気泡径、物性値等の関係を把握した後、揚力係数に関する次の数理モデルを構築した。
1. 一様な速度勾配中の気泡の横方向力(F)は、F=-C_<LρL>π/6d^3V_R×γotV_L(C_L:揚力係数,ρ_L:液相密度,d:気泡径,V_R:相対速度,V_L:液相速度)で記述でき、揚力係数は流動状態により決まる定数となる。
2. 揚力係数は、気泡レイノルズ数と修正エトベス数の関数として記述でき、以下の形をとる。
また、揚力係数が気泡背後のWake構造と関係すると推察されたため、レーザー誘起蛍光法を用いた気泡周りの速度計測手法を構築し、静止液中および速度勾配を持つ液流中の単一気泡のWakeを定量的に測定し、Wakeの変化を調べた。この結果、Wakeの構造が気泡の等価直径よりも気泡の流れに垂直な方向の長さに関係が深いこと、および速度勾配を持つ液流中では気泡のWakeが左右非対称になることを確認した。
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