| 研究課題/領域番号 |
17H03169
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| 研究機関 | 弘前大学 |
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研究代表者 |
城田 農 弘前大学, 理工学研究科, 准教授 (40423537)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| キーワード | 沸騰 / 液滴 / 凝縮 / 気泡 |
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| 研究実績の概要 |
沸騰熱伝達における臨界熱流束を制御できると，発電プラントからエレクトロニクス集積回路に至る様々な熱伝達効率を格段に上げることが可能となる。しかし，相変化を伴う熱・ 物質輸送を扱う極めて複雑な流れ場ゆえ，臨界熱流束のメカニズムは未だに明らかにされていない。本応募課題の目的は，液滴衝突による加熱平板の冷却を対象として，核沸騰領域から膜沸騰領域へと遷移する過程における「液滴下部の波動現象こそが臨界熱流束メカニズムの鍵を握る」という新しい仮説を検証することである。
今年度は，前年度に開発したFTIRイメージング法と従来のバックライト法を組み合わせた撮影法を用いて，加熱平面へ衝突する液滴内の沸騰現象を，より詳細に観察した。液体として，水に加えてフルオロカーボン液体を使用した。また，衝突液滴内の気泡の蒸発・凝縮による径変化の影響を調べるために，液滴初期温度を系統的に変化させて実験を行なった。
その結果，水を用いた実験において，核沸騰によって加熱面上に形成された気泡が，凝縮によって収縮する際に，気泡頭部からマイクロバブルが形成されることを明らかにした。このマイクロバブルは，衝突液滴の液流に同伴して下流へ流れ，再度加熱面へ付着することで，新しいマイクロバブルを生成する。そのため，最終的には放射状にマイクロバブルが分布することを明らかにした。
凝縮による気泡収縮がさらに激しい場合には，ドーナツ状の気泡リングが，膨張収縮運動を伴いながら，半径方向外側へと広がる現象を，私たちは初めて観察した。Bubble Waveと呼ぶこの現象では，個々の気泡の膨張収縮運動の周波数は10~20kHz程度であり，気泡リングが広がる速度は数mm毎秒であることを，画像処理によって明らかにした。
これら気泡運動は液体を激しく攪拌するため，本研究課題の目的である熱伝達効率の促進に直接関係する。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
本研究は，実験と数値シミュレーションの２手法によって現象解明を試みるものである。
実験研究に関しては，上述の研究実績に示す通り，今年度は蒸気気泡の膨張収縮・並進運動に特徴付けられる新しい現象を観察した。このことは，当初計画には含まれていなかったが，沸騰熱伝達効率を著しく促進することに繋がる現象であり，本研究課題の最終的なゴールと直接関係する非常に重要な結果である。また，当初計画していた衝突液滴下部波動現象を定量的に評価するための画像処理については，概ね順調に進んでいる。
対して，シミュレーション研究はやや遅れている。非圧縮性流体ソルバであるGerrisのセットアップは完了したが，本研究で対象とする液滴衝突のシミュレーションの実行までには至っていない。
以上のことから，本研究課題の現在までの進捗状況はやや遅れていると判断する。
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| 今後の研究の推進方策 |
実験研究においては，沸騰と凝縮を考慮した気泡の膨張収縮ならびに並進運動に関する理論モデルを構築し，上述のBubble Waveの発生メカニズムを解明し，沸騰熱伝達効率との関係性を明らかにする。また，今年度から開始したUniversity of Twente, Physics of Fluidsグループとの連携を密にし，引き続き討議を続けることで，現象の理解をさらに深める。
数値シミュレーション研究においては，当初計画どおりに，衝突液滴底面の波動現象を再現することを目標として進める。具体的には，（１）常温固体への液滴衝突シミュレーション，（２）加熱固体への液滴衝突シミュレーション(フーリエの法則に基づいて蒸気発生量を与える) ，（３）液滴底部の波動現象物理の理解，という進め方である。
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