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本研究の目的は、最も基礎的な乱流場である格子乱流を対象として、そこに分散する粒子の挙動を実験的に解明し、挙動の物理モデルを構築することにある。特に着目している点は、粒子数密度が比較的高い状態(体積比で0.1%程度以上)における粒子間相互作用である。これは、粒子群によって連続相に乱れが生成され、その影響を後続する粒子群が受ける機構である。本研究では、鉛直上昇流における粒子の中立浮遊状態を実現することによって、粒子群の平均的重力沈降をゼロにし、重力効果を最小にした状態で粒子そのものに起因する粒子間相互作用を明らかにすることを目指している。
本年度は4年計画の初年度として、水を作動流体とする鉛直上昇格子乱流を設計製作し、作動流体より重い固体粒子の中立浮遊状態を実現する実験条件を調べた。粒子は直径0.1〜2mmのガラス粒子および金属粒子である。格子乱流の断面一様性を確保するため、200×200m【 m!^2】断面のテストセクションを製作し、格子乱流10000までを実現した。流量条件の再現性を確保するため、一体型電磁流量計を用いた回流ループを製作した。粒子挙動の3次元ラグラジアン計測を行うため、2台の高速度カメラを用いたステレオ撮影システムを構築し、画像データ解析に必要なシステムおよびソフトウェアを開発した。また、粒子挙動のラグラジアン数値解析を行うため、渦粒子相互作用モデルに基づく数値解析コードを開発した。それを用いて、現有の水衝突噴流乱流で得られている粒子挙動の数値解析を実施し、粒子挙動のモデリングを精緻化した。
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