プラズマ流体システムの複雑干渉系の知的な電磁場制御

1999 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450069
• 研究種目: 基盤研究(B)
• 研究機関: 東北大学
• 研究代表者: 西山 秀哉 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (20156128)
• 研究分担者: 佐藤 岳彦 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (10302225) ; 早瀬 敏幸 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (30135313)
• キーワード: プラズマ流体 / 電磁場制御 / 微粒子 / 混合化 / 複雑干渉 / システム化 / 荷電粒子 / 知能化

研究概要

本研究では、高融点金属微粒子を分散させた微粒子プラズマ流や反応性気体を混合させた反応性プラズマ流のプラズマ流体システムに関して、プラズマと微粒子、あるいはプラズマと反応性気体との複雑干渉系の知的な電磁場制御を目的として理論および実験的研究を行った。得られた結果を要約すると、以下のようになる。
1.減圧下で基板に衝突する超音速プラズマジェットに金属微粒子を注入した場合、高周波誘導電磁場印加によるプラズマ-微粒子の干渉系の制御性能を表す基礎式を構築した。数値シミュレーションにより、粒子の存在時間がm secの短時間でもノズル部に高周波を印加すれば、プラズマのジュール熱の発生と粒子への熱伝達と放射により、粒子を有効に加熱でき、溶融への相変化が制御できることが明らかになった。また、同手法を管内微粒子プラズマ流にも拡張し、パラメトリックな数値シミュレーションにより粒子軌道や粒子温度に及ぼす粒子径、粒子注入速度、粒子注入位置、ノズル角や電磁場の有無の影響も明らかにした。
2.プラズマ溶射装置において、基板衝突直前の粒子速度や粒子温度をセンシングし、放電条件やガス流量、粒子径や粒子導入条件を制御するプラズマ流体システムの概念を提唱した。現有の磁場制御式高機能プラズマジェット装置にプラズマ放射光をセンシングして放電電流、あるいは、磁場で制御可能なフィードバックシステムを構築した。放電電流による制御は、応答性が良く制御量大きく、磁場制御は高精度で、減衰特性が良好であることが実験により明らかにされた。

研究成果

• [文献書誌] Nishiyama H.: "Numerical Modeling of an Impinging and compressible Dusted Plasma Jet Controlled by a Magnetic Field"Plasma Chemistry and Plasma Processing. 19・3. 363-381 (1999)
• [文献書誌] 西山秀哉: "機械工学年鑑(1999年)流体工学6・3プラズマ流体・反応性流体"日本機械学会論文集(B編). 65・636. 2558-2558 (1999)
• [文献書誌] Nishiyama H.: "Magnetic Control of Homogeneous and Dust-Laden Plasuma Jets"Proc.of the 14th Int. Symp. On Plasma Chemistry. I. 27-29 (1999)
• [文献書誌] Solorenko O.P.: "Intelligent Integrated Plasma Laboratory for Complex Studying the Basic Phenomena under Plasma Sprayed Materials Formation"Proc.of the 14th Int. Symp.on Plasma Chemistry. IV. 2133-2138 (1999)
• [文献書誌] Hayase.T.: "Monotonic Convergence Property of Turbulent Flow Solution with Central Difference and QUICK Schemes"Trans. ASME, J. of Fluids Engineering. 121・2. 351-358 (1999)
• [文献書誌] 佐藤岳彦: "電磁場下の管内微粒子プラズマ流の数値シミュレーション"第13回数値流体力学シンポジウム講演要旨集. 203-203 (1999)
• [文献書誌] 西山 秀哉(分担): "機能性流体・知能流体"コロナ社. 179 (2000)