| 研究課題/領域番号 |
17KK0115
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| 研究機関 | 神戸大学 |
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研究代表者 |
村川 英樹 神戸大学, 工学研究科, 准教授 (40467668)
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| 研究期間 (年度) |
2018 – 2020
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| キーワード | 流体計測 / 超音波 / ボイド分布 / 二相流 / 液体金属 |
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| 研究実績の概要 |
基課題において構築した超音波トモグラフィ計測システムにおいて、適切なボイド分布再構成アルゴリズムを開発し、液体金属二相流の流動評価をすることを目的とし研究を行った。
過渡的なボイド分布を計測するため、一断面の計測に使用する超音波センサを、可能な限り少なくする必要がある。本研究では、広角超音波センサを8個使用し、50mm程度の配管において瞬時ボイド分布を計測可能とした。昨年度までに構築したトモグラフィ計測システムを用い、各センサを高速に切り替えて超音波の送受信を行い、全センサにおいて波形を取得する。得られた波形に対して、主に反射法に基づくボイド分布再構成法を構築した。一断面の計測に要する時間分解能として1ミリ秒を達成した。これを500フレーム毎秒で連続CT計測を行うことで、気泡の形状やボイド分布の計測を実現した。
常温で液体金属であるGaInSnを満たした内径50mmの円筒容器において、単一および連続して気泡を上昇させ、断面ボイド分布の連続CT計測を行った。比較のため、水－アルゴン二相流での計測も実施した。水－アルゴン二相流では気泡の変形が大きく、それに伴い気泡が揺動して上昇し、各気泡のボイド分布の差異が大きく生じた。一方、GaInSn－アルゴン二相流では、連続して上昇する気泡においても気泡通過位置の変化があまり生じず、気液密度比および表面張力の違いに起因して気泡形状がより球形となっていることが計測された。さらに、試験装置に対して水平磁場を印加した条件にて計測を行ったところ、ローレンツ力による気泡揺動が抑制され、数十ミリ秒間隔で均一な間隔で気泡が上昇することを確認した。これにより、磁場印加条件において本計測法が極めて有効であることが示された。
さらに、容器上部に超音波センサを設置し、パルスドップラ法を用いて気泡速度を計測することで、疑似三次元表示が可能であることを示した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
1: 当初の計画以上に進展している
理由
計測システムは概ね構築済みであり、水－アルゴン、およびGaInSn－アルゴン二相流において最適な再構成手法について検討済みである。構築したシステムを用いて気泡流の三次元流動評価を実施し、液体金属に起因する気液密度比および表面張力の影響による気泡流動の違いを解明可能であることを示している。これらは、当初の予定通りに研究が進捗している。更に、当初の研究計画に含まれない水平磁場印加時の影響について評価を実施したところ、磁場印加の流動評価において本システムが極めて有効であることが示された。よって当初の予定以上に進捗している。現在、GaInSnを用いた液体金属二相流に対して磁場印加による影響の評価を引き続き進めている。
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| 今後の研究の推進方策 |
超音波トモグラフィおよびパルスドップラ法を用いた計測システムでは、主に円管内流動について評価を行う。このシステムでは、パルスドップラ法とトモグラフィ法の同期計測を行うことで、瞬時の流動とボイド分布の比較を可能とする。また、瞬時の断面ボイド率分布の評価方法について検討を進める。更に、二次元的に拘束された矩形管内の流動評価を行うことを目的として、X線ラジオグラフィおよびパルスドップラ法を用いた計測システムによる計測を実施する。それぞれの計測対象において、気泡流動による液相乱流への影響を評価可能とする。さらに実際の液体金属への適用例として、永久磁石を用いて水平磁場を印加し、気泡誘起流れに起因するローレンツ力による気泡流動への影響を評価し、その物理的メカニズムの解明を進める。
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