円錐型テイラー・クエット流の流動・混合現象の解明と新型化学反応装置への応用

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12750663
• 研究機関: 神戸大学
• 研究代表者: 大村 直人 神戸大学, 工学部, 助教授 (50223954)
• キーワード: 円錐型テイラー・クエット流 / 円錐型テイラー渦流 / 反応装置 / 混合現象 / 非線形現象 / 分岐現象 / 流れの可視化法 / 数値シミュレーション

研究概要

本研究では、円錐型のテイラー・クエット流も渦流状態において、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動することに着目して、この流れ形の混合特性が低剪断でマイルドであり、かつ大域的な混合も良いという予測をたてた。この予測に基づき、この流れ系の有する複雑な流動状態を精密に制御することにより、今までにない新規な反応装置への展開を目指し、以下の項目について調べることを目的とする。
1)数値計算法、流れの可視化法、流速測定法を用いて詳細に流動状態を調べる。
2)蛍光染料を用いた可視化法による濃度変位測定等により混合・反応特性を調べる。
今年度は昨年度作成の流動マップに基づき、各流動モードの流動特性を調べるとともに、蛍光染料にフルオレセインナトリウムを用いて、中和反応を利用することによる孤立混合領域の可視化および、トレーサ応答法による混合特性について調べた。また、一般の撹拌槽の混合と比較するために、低レイノルズ数域における撹拌槽の孤立混合領域についても調べた。同様に従来型の円筒型のテイラー渦流反応装置についても層流混合特性を調べた。その結果、円錐型のテイラー・クエット流反応装置において、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動する流れモードは比較的低いレイノルズ数域で出現し、渦セルの移動速度はレイノルズ数が低いほど速くなることがわかった。さらに、この流れモードでは注入されたトレーサは渦内に留まり、渦セルの移動により上方に移動することがわかった。このことより、このモードの混合特性は従来の渦セルが移動しない定在型のテイラー渦流とは全く異なったものであることがわかった。また、定在型の渦流モードに対して、流れ場に微小な周期的摂動を加えると撹拌槽の孤立混合領域と同様のフラクタルな微細構造が生じることもわかった。以上の結果から、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動する流れモードを混合に利用すれば、非常に流速の遅い状態でも大域的な混合が有効に行われることが確かめられた。このことより、バイオリアクターや重合反応装置などの低剪断や高粘性によるレイノルズ数の低い操作条件が必要な反応装置に対して、この流れが非常に有効であることがわかった。

研究成果

• [文献書誌] M.N.Noui-Mehidi: "An Experimental Investigation of Flow Mode Selection in a Conical Taylor-Couette System"International Journal of Fluid Dynamics (Internet Journal). Vol.5 ・Article 1. 1-16 (2001)
• [文献書誌] T.Makino: "Observation of Isolated Mixing Regions in a Stirred Vessel"Journal of Chemical Engineering of Japan. Vol.34・No.5. 574-578 (2001)
• [文献書誌] 牧野 司: "テイラー渦流反応装置における孤立混合領域"化学工学論文集. Vol.27・No.5. 566-573 (2001)
• [文献書誌] M.N.Noui-Mehidi: "Numerical Computation of Apex Angle Effects on Taylor Vortices in Rotating Conical Cylinders System"Journal of Chemical Engineering of Japan. Vol.35 No.1. 22-31 (2002)
• [文献書誌] M.N.Noui-Mehidi: "An Experimental and Numerical Investigation of Taylor Vortex Flow in the System of Coaxial Rotating Conical Cylinders"Proceedings of 14^<th> Australasian Fluid Mechanics Conference, Adelaide University, Australia. (CD-ROM). 617-620 (2001)
• [文献書誌] M.N.Noui-Mehidi: "Mechanism of Mode Selection for Taylor Vortex Flow between Coaxial Conical Rotating Cylinders"Journal of Fluid Structure. (掲載決定).