気泡乱流の大規模組織化構造を利用した二酸化炭素の高効率海洋固定装置の開発研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 13355008
• 研究機関: 静岡大学
• 研究代表者: 齋藤 隆之 静岡大学, 工学部, 教授 (10324328)
• 研究分担者: 小杉 佐内 住友金属工業(株), エネルギーエンジニアリング技術部, 部長 ; 土屋 活美 徳島大学, 工学部・化学応用工学科, 助教授 (00227430) ; 梶島 岳夫 大阪大学, 大学院・工学研究科, 助教授 (30185772) ; 武石 芳明 住友金属工業(株), 総合技術研究所, 室長
• キーワード: 混相乱流 / 大規模組織構造 / 気泡 / 二酸化炭素 / 海洋固定 / 地球温暖化 / GLADシステム

研究概要

(1)気泡群の大規模構造を捉えるためのツールとして、高精度な光ファイバープローブを開発、その特性と計測精度を把握し、これを実用化した。また、大口径管内気泡乱流における液相運動の大規模構造を実験により捉えるとともに、液単相の乱流構造に気泡群の浮力に誘起される乱流構造がスーパーインポーズしたものであることを見出した。加えて、高速ビデオカメラを使用したPTV(Particle Tracking Velocimetry)の開発に着手した。
(2)気泡乱流の大規模組織構造の解析を目的として、本年度は気泡の変形を無視して球形粒子と仮定し、多数の分散粒子を含む乱流場の数値計算を実施した。コードの並列化を推進し、1000個単位の気泡(粒子)の周りの流れを全て扱うことを可能とし、粒子クラスターの生成だけでなくクラスター間の相互作用という、最大スケールの乱れ発生源まで解析スケールに入れる数値シミュレーションを実現した。また、任意形状の粒子に対応する方法として、格子ボルツマン法による乱流解析に着手した。
(3)気液混相乱流における分散気泡周辺の液相内濃度拡散メカニズムに関する基礎研究を行い、1)レーザ励起蛍光pH指示薬による溶解成分拡散測定法を構築し、2)単一気泡周辺の蛍光強度(CO2溶存濃度)分布の可視化計測に成功し、3)気泡周辺の局所流れ構造と濃度拡散パターンとの相関性を見出した。
(4)把握した大規模構造を簡単な数理モデル(ドリフトフラックスモデルの修正)に表し、二酸化炭素を深海に固定するシステム(GLADシステム)のモデルプラント設計に活用した。加えて、気泡径制御および気泡溶解制御手法を考察した。

研究成果

• [文献書誌] 齋藤隆之, 梶島岳夫: "光ファイバープローブによる気泡計測に関する研究(第2報, 気泡速度と弦長の同時計測)"日本機械学会論文集B編No.01-0848. (掲載予定:2002.11).
• [文献書誌] R.F.Mudde, T.Saito: "Hydrodynamical similarities between bubble column and bubbly pipe flow"Journal of Fluid Mechanics. 437. 203-228 (2001)
• [文献書誌] T.Kajishima, S.Yakiguchi, H.Hamasaki, Y.Miyake: "Turbulence Structure of Particle-Laden Flow in a Vertical"JSME Int.J., Ser.B. Vol.44No.4. 526-535 (2001)
• [文献書誌] 梶島岳夫: "流体・固体混相流に見られるパターン"機械の研究. Vol.54No.1. 132-137 (2002)
• [文献書誌] K.Tsuchiya, T.Saito, T.Kajishima, S.Kosugi: "Coupling between Mass Transfer from Dissolving Bubbles and Formation of Bubble-Surface Wave"Chemical Engineering Science. Vol.56No.21-22. 6411-6417 (2001)
• [文献書誌] S.Kosugi, K.Niwa, T.Saito, T.Kajishima, K.Hamaogi: "Design factors in gas-lift advanced dissolution (GLAD) system for CO2 sequestration into the ocean"Chemical Engineering Science. Vol.56No.21-22. 6205-6210 (2001)