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2021 年度 実績報告書

金属液滴に発現する連鎖分裂カスケードの機構解明と数理モデル開発

研究課題

研究課題/領域番号 21H01251
研究機関九州大学

研究代表者

井上 智博  九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)

研究分担者 高橋 厚史  九州大学, 工学研究院, 教授 (10243924)
王 振英  九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 助教 (20896633) [辞退]
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード液体金属 / 液滴 / 熱物質拡散 / 連鎖分裂 / 表面張力 / 可視化 / 数理モデル / 凝縮相
研究実績の概要

気液界面を有する液滴は,1度の分裂しか経験しないという従来の流体工学的な制約により,微細噴霧を生成する際のエネルギー効率は,わずか1%にも満たない.対して本研究は、成長著しい金属粉末製造技術へ応用すべく,液滴が分裂を繰り返す『連鎖分裂』を対象として,現象を律速する未知の機構を,高速度可視化とX線分析を組み合わせた複合的アプローチにより実験的に探究するとともに,体系的な数理モデルを開発することが主眼である.
安全かつ安定的に金属液滴を生成する工夫として,供試金属(炭素鋼・チタン等)をグラインダーで研磨した.金属微粒子は飛行しながら表面の酸化熱によって昇温し,やがて融解して金属液滴に相変化した後,連鎖的に分裂することを確認した.約10m/sで飛行する直径約10μm金属液滴が分裂するまでに要する時間は約0.1msである.この微細・高速現象を可視化するために,代表者保有の高速度カメラ(Photron SA-X2モノクロ)を用いて,一連の非定常現象を50kHzの時間分解能で拡大撮影した.初年度に導入した高繰返しパルス光源Caviluxを背景光に組み込むことで,高速度カメラと同期しながら実質露光時間を30nsにまで短くし,鮮明な凍結画像を取得することに成功した.その結果,連鎖分裂の世代ごとの金属液滴径と分裂に要する時間を定量的に計測し,統計量を取得した.
並行して,物質拡散と表面張力を考慮した液滴数理モデルを開発し,連鎖分裂を生じる金属液滴の粒径および特性時間の統計量を決定する物理的因子を探索した.
これら,連鎖分裂の非定常可視化を中心とした初年度の成果を国内外の学会で発表し,Phys.Rev.Eなどに査読付き論文を掲載するなど重要な成果を上げた.

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

実験と数理モデル開発ともに,調書の計画に従って,順調に進捗している.
得られた成果は,Phys.Rev.Eなど主要論文に掲載された.

今後の研究の推進方策

調書の計画をさらに推進すべく,今後は金属液滴の非定常温度計測など新たな分析手法を加えながら,実験と数理モデル開発を高度化する.
研究遂行にあたって問題はない.

  • 研究成果

    (24件)

すべて 2022 2021 その他

すべて 国際共同研究 (1件) 雑誌論文 (8件) (うち国際共著 1件、 査読あり 8件、 オープンアクセス 8件) 学会発表 (13件) (うち国際学会 6件、 招待講演 2件) 備考 (2件)

  • [国際共同研究] Aix-Marseille University(フランス)

    • 国名
      フランス
    • 外国機関名
      Aix-Marseille University
  • [雑誌論文] Evaporation of Three-Dimensional Wavy Liquid Film Entrained by Turbulent Gas Flow2022

    • 著者名/発表者名
      Inoue Takuya、Inoue Chihiro、Fujii Go、Daimon Yu
    • 雑誌名

      AIAA Journal

      巻: 60 ページ: 3805~3812

    • DOI

      10.2514/1.J061381

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Analysis on bursting mechanism of carbon steel sparks2022

    • 著者名/発表者名
      Taro Kimura, Chihiro Inoue
    • 雑誌名

      Science and Technology of Energetic Materials

      巻: 83 ページ: 95-101

    • DOI

      10.34571/stem.83.3_95

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Visualization of Coolant Liquid Film Dynamics in Hypergolic Bipropellant Thruster2022

    • 著者名/発表者名
      Fujii Go、Daimon Yu、Furukawa Katsumi、Inoue Chihiro、Shiraiwa Daijiro、Tanaka Nobuhiko
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 38 ページ: 267~273

    • DOI

      10.2514/1.B38421

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Measurement and modeling of planar airblast spray flux distributions2021

    • 著者名/発表者名
      Inoue Chihiro、Yoshida Hiroaki、Kouwa Junya、Iwaki Yuki、Itoh Mitsunori
    • 雑誌名

      International Journal of Multiphase Flow

      巻: 137 ページ: 103580~103580

    • DOI

      10.1016/j.ijmultiphaseflow.2021.103580

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Analysis on unsteady thermal behavior of ground iron sparks2021

    • 著者名/発表者名
      Taro Kimura, Chihiro Inoue
    • 雑誌名

      Science and Technology of Energetic Materials

      巻: 82 ページ: 50~55

    • DOI

      10.34571/stem.82.2_50

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Direct Formulation of Bipropellant Thruster Performance for Quantitative Cold-Flow Diagnostic2021

    • 著者名/発表者名
      Inoue Chihiro、Oishi Yuki、Daimon Yu、Fujii Go、Kawatsu Kaname
    • 雑誌名

      Journal of Propulsion and Power

      巻: 37 ページ: 842~849

    • DOI

      10.2514/1.B38310

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Visualization and modeling for water atomization of low melting point alloy2021

    • 著者名/発表者名
      Hikita Wataru、Ichimura Tenshiro、Inoue Chihiro、Nakaseko Makoto
    • 雑誌名

      Advanced Powder Technology

      巻: 32 ページ: 4235~4244

    • DOI

      10.1016/j.apt.2021.09.030

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Architecture of a self-fragmenting droplets cascade2021

    • 著者名/発表者名
      Verhille Gautier、Inoue Chihiro、Villermaux Emmanuel
    • 雑誌名

      Physical Review E

      巻: 104 ページ: L053101

    • DOI

      10.1103/PhysRevE.104.L053101

    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [学会発表] Improvement of Performance Prediction Model by Considering Losses in Bipropellant Thruster2022

    • 著者名/発表者名
      Soma Tauchi, Chihiro Inoue
    • 学会等名
      International Symposium on Space Technology and Science
    • 国際学会
  • [学会発表] Performance Prediction for Pulse-Firing Bipropellant Thruster by Time-Space Variable Stream Tube Model2022

    • 著者名/発表者名
      Yuki Oishi and Chihiro Inoue
    • 学会等名
      International Symposium on Space Technology and Science
    • 国際学会
  • [学会発表] 軌跡計算による炭素鋼火花の分裂機構の検討2021

    • 著者名/発表者名
      木村 太郎,井上 智博
    • 学会等名
      火薬学会春季研究発表会
  • [学会発表] 線香花火の火球表面における気泡破裂頻度解析2021

    • 著者名/発表者名
      渡辺 結起乃,伊里 友一朗, 井上 智博, 三宅 淳巳
    • 学会等名
      火薬学会春季研究発表会
  • [学会発表] 線香花火の熱流動の研究2021

    • 著者名/発表者名
      井上 智博
    • 学会等名
      火薬学会春季研究発表会
    • 招待講演
  • [学会発表] Evaporation of Three-Dimensional Wavy Liquid Film Entrained by Turbulent Gas Flow2021

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Inoue, Ikkan Maeda, Go Fujii and Yu Daimon
    • 学会等名
      2021 AIAA Propulsion & Energy
    • 国際学会
  • [学会発表] Molten Drop Fragmentation2021

    • 著者名/発表者名
      Chihiro Inoue
    • 学会等名
      ICLASS 2021 International Conference on Liquid Atomization & Spray Systems
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 乱流気流に駆動された壁面上液膜の三次元構造と 液滴飛散の数理モデル2021

    • 著者名/発表者名
      井上 拓哉, 井上 智博
    • 学会等名
      第49 回日本ガスタービン学会定期講演会
  • [学会発表] Analysis on bursting mechanism of carbon steel sparks2021

    • 著者名/発表者名
      Taro Kimura, Chihiro Inoue
    • 学会等名
      The 7th International Symposium on Energetic Materials and their Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] Thermal and evolved gas analysis for oxidation of carbon in senko hanabi2021

    • 著者名/発表者名
      Yukino Watanabe, Yu-Ichiro Izato , Chihiro Inoue and Atsumi Miyake
    • 学会等名
      The 7th International Symposium on Energetic Materials and their Applications
    • 国際学会
  • [学会発表] 高速ストリーミングカメラを用いた 300Hzのリアルタイム噴霧流 PTV開発2021

    • 著者名/発表者名
      市村 展史郎, 井上 智博
    • 学会等名
      第 30 回微粒化シンポジウム
  • [学会発表] 液滴と液膜の合体カスケードを応用した非接触膜厚測定2021

    • 著者名/発表者名
      有廣 大成,井上 智博
    • 学会等名
      第 30 回微粒化シンポジウム
  • [学会発表] 高速水による液体金属微粒化の高速度可視化と粉末径予測2021

    • 著者名/発表者名
      疋田 航, 井上 智博, 中世古 誠
    • 学会等名
      第 30 回微粒化シンポジウム
  • [備考] 九州大学推進工学分野井上研究室Webページ

    • URL

      https://aero.apl-kyushu.page/

  • [備考] 九州大学研究者情報

    • URL

      https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K006967/index.html

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公開日: 2022-12-28  

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