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2020 年度 実施状況報告書

表面張力勾配により自己駆動する液滴を利用した宇宙居住用水浄化装置の開発

研究課題

研究課題/領域番号 19K22015
研究機関大阪大学

研究代表者

岡野 泰則  大阪大学, 基礎工学研究科, 教授 (90204007)

研究分担者 稲富 裕光  国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 宇宙科学研究所, 教授 (50249934)
堀河 俊英  徳島大学, 大学院社会産業理工学研究部(理工学域), 准教授 (90380112)
研究期間 (年度) 2019-06-28 – 2022-03-31
キーワード移動速度論 / マランゴニ対流 / 水浄化
研究実績の概要

マランゴニ効果による流路内液滴移動を解析する手法を開発し、数値解析を行い、結果の妥当性を確認した。Young らによる YGB 理論との比較を行ったが、液滴移動速度は理論により与えられる値を下回ってしまった。この結果は、理論では考慮できていない壁面との相互作用が関係していると思われる。このことは、今後、装置のスケール等を考えるうえで、理論式による推算は難しく、本研究で開発した手法を用いて検討をしていくことを示唆している。
単一液滴系において温度差、濃度差のマランゴニ効果を考慮したうえで、目的としていた高温側から低温側へと動く挙動が観察できた。また、凝縮による液滴の生成と温度差マランゴニ効果による液滴の移動を連立した計算モデルの開発に成功した。本計算モデルを 3 次元へと展開し、物質の拡散および濃度差マランゴニ効果を考慮することで、最終的な目標とする水-アンモニア 2 成分系での計算手法構築が達成できると考えており、本研究では指針を示すことができた。
将来的には水-アンモニア 2 成分系でのマランゴニ効果による液滴移動の計算手法構築を達成し、より現実に近づけたうえで、装置設計の指針を提案することを目指す。
上記に加え円柱モデルを用い、濃度差と温度差が自由界面上で同時に存在する際のマランゴニ対流の効果について数値解析を用いて検討を行った。特に不安定性の発現に関してはマランゴニ数が増大する際と減少する際では臨界値が異なることを発見した。このことは実際の液滴移動を考慮した装置設計において極めて重要となりうると考えられる。

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

コロナの影響により落下塔を使った微小重力実験ができず期間を延長し対応することとしたため。

今後の研究の推進方策

数値解析はこのまま推し進めるとともに、落下塔などを用いた微小重力実験を行い、計算結果を実験で検証を行う。

次年度使用額が生じた理由

コロナの影響によりJAXAにおける落下塔を用いた実験実施が困難であった。そのため本実験およびそれに伴う計算を2021年度に行うこととする。

  • 研究成果

    (7件)

すべて 2021 2020 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (3件) (うち国際共著 3件、 査読あり 3件、 オープンアクセス 3件) 学会発表 (3件)

  • [国際共同研究] ヴィクトリア大学(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      ヴィクトリア大学
  • [雑誌論文] The Relative Contribution of Solutal Marangoni Convection to Thermal Marangoni Flow Instabilities in a Liquid Bridge of Smaller Aspect Ratios under Zero Gravity2021

    • 著者名/発表者名
      Agampodi Mendis Radeesha Laknath、Sekimoto Atsushi、Okano Yasunori、Minakuchi Hisashi、Dost Sadik
    • 雑誌名

      Crystals

      巻: 11 ページ: 116~116

    • DOI

      10.3390/cryst11020116

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Global Linear Stability Analysis of Thermo-solutal Marangoni Convection in a Liquid Bridge Under Zero Gravity2020

    • 著者名/発表者名
      Radeesha Laknath Agampodi Mendis, Atsushi Sekimoto, Yasunori Okano, Hisashi Minakuchi & Sadik Dost
    • 雑誌名

      Microgravity Science and Technology

      巻: 32 ページ: 729-735

    • DOI

      10.1007/s12217-020-09798-9

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Marangoni flows of opposite directions developing in a cylindrical liquid bridge under zero gravity2020

    • 著者名/発表者名
      Chihao Jin, Atsushi Sekimoto , Yasunori Okano, Hisashi Minakuchi, and Sadik Dost
    • 雑誌名

      Phys. Fluids

      巻: 32 ページ: 1-12

    • DOI

      10.1063/1.5142071

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Numerical Simulation of Thermal and Solutal Marangoni Convection in a Full Floating Zone with Radiative Heat Transfer under Zero Gravity2020

    • 著者名/発表者名
      Chihao JIN, Atsushi SEKIMOTO, Yasunori OKANO, Hisashi MINAKUCHI
    • 学会等名
      日本マイクログラビティ応用学会 第32回学術講演会 (JASMAC-32)
  • [学会発表] Numerical Simulation of Thermal-solutal Marangoni Convection in a Shallow Rectangular Cavity with Mutually Perpendicular Temperature and Concentration Gradients2020

    • 著者名/発表者名
      Jiangao ZHANG, Atsushi SEKIMOTO, Yasunori OKANO
    • 学会等名
      日本マイクログラビティ応用学会 第32回学術講演会 (JASMAC-32)
  • [学会発表] Global Linear Stability Analysis of Thermo-solutal Marangoni Convection with the Opposing Forces under Microgravity Conditions2020

    • 著者名/発表者名
      Radeesha laknath AGAMPODI MENDIS, Atsushi SEKIMOTO, Yasunori OKANO, Hisashi MINAKUCHI
    • 学会等名
      日本マイクログラビティ応用学会 第32回学術講演会 (JASMAC-32)

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公開日: 2021-12-27  

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