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本研究では、撹拌槽内の流動パターンの動的変化現象に着目し、これを工学的に応用した混合・反応の精密制御法の確立を目指すものである。まず、撹拌槽内の循環二次渦流れに着目し、この流れを単純化した流れとして、テイラー渦流をとりあげた。円錐型テイラー渦流では、低いレイノルズ数領域で、通常のテイラー渦流モード、渦が自発的に軸方向に移動するモード(渦移動モード)、螺旋状の渦が回転するモード(ヘリカルモード)の三つの流動モードが存在することがわかった。渦移動モードとヘリカルモードは、渦が定在しないため時間変動を有する流れモードであり、通常のテイラー渦流に比べ、装置全体の混合が良好であることが分かった。これら2つの流れモードの発生には、内外両円筒が円錐形状のため遠心力の効果が軸方向に異なることが影響していることがわかった。円筒型テイラー渦流においては、通常のテイラー渦流となるが、これに軸流を加えると渦が軸方向に移動する。この流れ系の混合を調べた結果、渦外縁部の軸方向の物質移動は、渦周辺部に存在するバイパス流れにより極めて迅速であり、渦内部と渦外周部間の物質交換がほとんどないこと、レイノルズ数を制御することによりバイパス流れ領域の大きさを制御できることが分かった。さらに、トレーサー粒子を注入する実験において、微粒子の大きい粒子ほど渦の外側に位置することを突き止めた。この粒子径の違いによる粒子存在位置の違いとバイパス流れの効果を組み合わせることにより、新しい微粒子分級方法及び装置についても提案した。反応制御の観点からは、酢酸ビニルの連続乳化重合実験を行い、反応と流動・混合による粒子凝集ダイナミックスのカップリングにより、高分子微粒子径の自励振動現象が起こることがわかった。一般の撹拌槽内の流動については、現在様々な条件で流動シミュレーションを行い、流動パターンの動的変化が起こるかを確認中である。
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