| 研究課題/領域番号 |
20H02061
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| 研究機関 | 北海道大学 |
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研究代表者 |
渡部 正夫 北海道大学, 工学研究院, 教授 (30274484)
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| 研究分担者 |
小林 一道 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (80453140)
藤井 宏之 北海道大学, 工学研究院, 助教 (00632580)
真田 俊之 静岡大学, 工学部, 教授 (50403978)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 液滴衝突 / 液膜流れ / スプラッシュ / 不安定性現象 / 高オーネゾルゲ液滴 |
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| 研究実績の概要 |
本研究の目的は，「高Oh液滴の固体面衝突直後に発生するcorona splashとprompt splashの発生条件を明らかにし，二つのsplashの発生メカニズムを説明する理論モデルを構築すること」である．この目的を達成するために，本年度は以下の２項目について研究を行った．
１．固体表面に滴衝する高Oh液滴の観察：自由落下するシリコンオイルを用いて衝突実験を行い，高Oh液滴のsplash発生条件を探索した．高粘度液滴衝突ではあるOhを閾値としてsplashとreceding break-upの２種類の不安定性が観察されること, 閾値Oh数以上ではreceding break-upのみが観察されさらにOh数を大きくすると不安定性が観察されないこと，receding break-upはある衝突速度以上では観察されないことを明らかにした．
２．粗い表面に衝突する液滴の観察：低圧力環境下の高速液滴衝突 (50m/s程度) 実現を行い，固体表面粗さの効果を検討するために，減圧チャンバ内での粗い固体表面への高速液滴衝突を観察した．平滑表面および粗い固体表面においてsplashの発生閾値を検討した．低Oh液滴衝突においては，これまで観察されていたcorona splashとprompt splashに加えて衝突直後極短時間にのみ観察されるsplashが存在することが発見され，これまでに提案されたsplash発生閾値モデルは，粗い表面には適用できないことを明らかにした．
３．高速度カラー光干渉計による気液界面計測システムによる観察：固体表面に衝突する液滴の固体面衝突直前に，固体表面と液滴との間に形成される薄空気膜はsplash発生に大きな影響を与える．この薄空気膜厚さの空間分布の時間変化が，固体表面電位と液体の誘電率によって大きく変化することを明らかにした．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
新型コロナウィルス感染症対策のため，北海道大学の行動指針レベル３の期間（71日間）は週に1-2日程度，レベル２の期間（220日間）は週に3-4日程度のみ，本事業推進のため実験室を使用することが可能であり，大きな時間的制約の中で実験と解析を行った．しかしながら，実験室使用時間が限られていたため，本年度の到達目標としていた高Oh液滴の高速衝突におけるsplash発生条件を決定するまでには到達できなかった．時間的制約のために未達であった課題は次年度に解決する．本年度は，以下の３項目について研究を行った．それぞれの研究項目について得られた本年の重要な成果を以下に示す．
１．自由落下するシリコンオイルを用いて衝突実験を行い，高Oh液滴のsplash発生条件を探索した．高粘度液滴衝突ではあるOhを閾値としてsplashとreceding break-upの２種類の不安定性が観察されること, 閾値Oh数以上ではreceding break-upのみが観察されさらにOh数を大きくすると不安定性が観察されないこと，receding break-upはある衝突速度以上では観察されないことを明らかにした．
２．低圧力環境下の高速液滴衝突 (50m/s程度) 実現を行い，固体表面粗さの効果を検討するために，減圧チャンバ内での粗い固体表面への高速液滴衝突を観察した．平滑表面および粗い固体表面においてsplashの発生閾値を検討した．低Oh液滴衝突においては，これまでに提案されたsplash発生閾値モデルは，粗い表面には適用できないことを明らかにした．
３．高速度カラー光干渉計を用いて，固体表面に衝突する液滴の固体面衝突直前に固体表面と液滴との間に形成される薄空気膜厚さの空間分布の時間変化を観察し，固体表面電位と液体の誘電率によって大きく変化することを明らかにした．
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| 今後の研究の推進方策 |
前述した目的を達成するために今年度に引き続いてcorona splashとprompt splashの発生メカニズムについて考察する．
１．固体表面に高速滴衝する高Oh液滴の観察：今年度未達であった高Oh液滴衝突実験を行うために，高速corona splash観察実験装置を改良する．高Oh液滴衝突におけるsplash発生条件を決定するために，コイルガンを用いた衝突板射出板にシリコンオイルを衝突させることで実験を行う．シリンジポンプにより高粘性液体を送液し，高Oh液滴の高速衝突過程を現有の超高速度カメラを用いて観察し，高Oh液滴のsplash発生条件を探索する．これまでの研究によって，高粘度液滴衝突ではあるOhを閾値としてcorona splashとreceding break-upの２種類の不安定性が観察されることが発見され，閾値Oh数以上では，receding break-upのみが観察され，さらにOh数を大きくすると不安定性が観察されないことが発見された．30m/s程度までの高速衝突実験を行い，低速衝突実験で発見された不安定性発現マップが高速衝突実験において，どのように修正されるのかを調査する．これらの実験結果を解析することにより，高Oh液滴衝突後の不安定性と，低Oh液滴衝突後の不安定性との質的な差異について考察し，高Oh液滴衝突におけるsplash発生メカニズムを解明する．
２．高速度カラー光干渉計による気液界面計測システムによる観察：固体表面に衝突する液滴の固体面衝突直前に，固体表面と液滴との間に形成される薄空気膜はsplash発生に大きな影響を与える．異なる誘電率を有する様々な固体表面と液滴とを用いるとともに，固体表面電位の大きさを様々な手法を用いて制御することによって，薄空気膜厚さの空間分布の時間変化に及ぼす固体表面電位と液体の誘電率の影響を検討する．
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