| 研究課題/領域番号 |
17K06885
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| 研究機関 | 東京工業大学 |
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研究代表者 |
吉川 史郎 東京工業大学, 物質理工学院, 准教授 (40220602)
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| 研究期間 (年度) |
2017-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | テイラー渦の安定性 / 同心二重円筒型反応装置 / 粘弾性流体 |
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| 研究実績の概要 |
同心二重円筒間流れにおけるテイラー渦の形成と安定性について昨年度に引き続き流動可視化実験の結果に基づいて検討を行った．昨年度まで流動安定性が確認できたレイノルズ数範囲でより低い内円筒回転数における流動実験を実施するために水溶液のグリセリン濃度を40%～20%に減少させ，また，添加する高分子についてもこれまで使用してきた1000PPMのポリエチレンオキシド(PEO)，ポリエチレングリコール(PEG)に加えて1000PPM,100PPMのキサンタンガム(XAN)を添加した流体を対象とした．新たに使用するXAN添加溶液の粘弾性を計測したところ100PPMで損失正接が他の流体より小さい値を示し，弾性流体としての性質が顕著に表れることが確認できた．試験流体を調整した後4日経過して粘弾性が安定した後に，二重円筒装置を流通型反応器として操作した場合の渦の安定性と滞留時間分布について実験的に検討した．二重円筒装置底部と塔頂部に流体の流入，流出口を設け，底部からマイクロフィーダーにより一定流量の試験流体を流入させ，塔頂から流出させることにより装置軸方向流れを生じさせた．低回転数の条件でも円周方向流動及び軸方向流動のレイノルズ数範囲は昨年度同様500～1500，0.0437～0.1308で安定した渦流を形成することが確認された．特に弾性が顕著な100PPMのXAN添加溶液で最も流動状態が安定することが確認され，弾性と流動安定性の関係がより明確となった．今後は主にXAN添加溶液を用いて内円筒回転速度と軸方向流量の組み合わせを広範囲に変化させ，装置底部からKCｌを溶解した試験流体をステップ状に供給し，塔頂出口において電気伝導度法により濃度を計測するステップ応答試験を行い，滞留時間分布を求め，より理想に近い滞留分布が得られる操作法を探索する予定である．
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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
当初より2年延長し，令和3年度中に研究を終了する予定であったが，Covid19の影響により研究を予定通り進捗させることができなかった．また，昨年度の結果により従来使用した高分子を用いた場合より安定した流動状態を形成する必要があると考え，より粘弾性が顕著な流体を用いた実験を行ったため，最終的な目的である流通系反応器としての最適条件を探索することが十分にできなかったため．
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| 今後の研究の推進方策 |
令和4年度には顕著な弾性を示すキサンタンガムを添加した流体を用い，理想的な滞留時間分布となる操作条件について探索を行い，研究のまとめを行う予定ある．テイラー渦が生じている場に軸流を生じさせる場合，軸方向流量と内円筒回転数の組み合わせによっては渦を乱し，安定性を失わせてしまう場合がある．また，可視化により見かけ上安定した渦を維持しながら軸流を生じさせているような場合でも渦間の混合に伴うバイパス流が生じ，理想的な滞留時間分布とならない場合があることが令和2年度までに確認されていることから，令和3年度に流れの安定性への寄与が大きいキサンタンガム添加溶液を用い，内円筒回転数と軸方向の流量の組み合わせを広い範囲に変化させ，理想的な流通型反応器として操作できる条件の決定法を確立する方針で研究を実施する予定である．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
令和3年度において内円筒回転数と軸方向流量の組み合わせを広範にに変化させる実験を実施する予定であり，そのために必要な物品を購入する予定であったが，Covid19の影響により実験を予定通り進捗させることができなかったため，次年度使用額が生じた．令和4年度においては内円筒回転数及び軸方向流を広範囲に変化させるために必要なモーター，フィーダー用シリンジ，および試験流体調整用の試薬購入に研究費を使用する予定である．
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