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気泡を含む流体の乱流中での移動現象は乱流スケールなどの多重化が起こり、従来の相似則的な取り扱いが適応できない複雑なメカニズムが存在する。それらの機構解明のために本研究では複合レーザイメージング技術を駆使し、詳細な実験データを得ることによって、実際の現象に促した精緻な物理モデルの構築する事を目途としている。本年度の研究は、気泡を含む乱流の微細構造の解明を中心に進めた。すなわち、気泡のごく近傍を含む周囲流体と気泡の持つマルチスケールの相互作用のメカニズムを粒子画像流速計と投影像法を併用することによって、気泡自身の運動をその周囲流体の流動の同時計測を行った。
流動場には速度勾配が可変の一様せん断流を取り上げた。この下降せん断流中に直径数mmの気泡を注入する。連続相の流速計測には二次元での時系列計測が可能な粒子画像流速計(DPIV)を用いた。気泡の上昇速度は比較的高速なため、十分な時間分解能をもって物理現象を追うには単位時間当たりに多量のフレーム数の撮影が可能な高速デジタルビデオ装置を用いた。またDPIVの光源となるレーザシートは気液界面において乱反射を生じ、界面近傍におけるトレーサ粒子像の取得が大変困難となる。そこで本研究では独自の手法により蛍光発光をするトレーサ粒子を作成して用いた。また時系列で変化する気泡の形状と周囲流の相関を得るため、赤外線LEDを用いて気泡形状を投影図として捕らえる方法を採用し、DPIVと同時計測を行うことによって、気泡の変形、周囲流の時系列変化、また時間平均での乱流特性を調べた。その結果、せん断流中の気泡後流に生成される渦によって、気泡の揺動運動が支配されていること、また気泡からの渦放出によって液体側の乱れが生成され、空間的に不均一な乱流場が形成されることが明らかにされた。
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