| 研究課題/領域番号 |
26420097
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| 研究機関 | 北見工業大学 |
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研究代表者 |
三戸 陽一 北見工業大学, 工学部, 准教授 (20422032)
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| 研究期間 (年度) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| キーワード | 乱流 / 混相流 / 分散流 / 固気流 / 気液流 / マイクロバブル / 乱流制御 / 直接数値シミュレーション |
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| 研究実績の概要 |
本研究課題は，資源等の輸送機器や各種熱流体機器の省エネルギー化・革新的開発において必須となる流体乱流内の粒子・液滴・気泡等物質の輸送メカニズムの解明とモデル化，並びに単相・二相乱流の制御に対する指針の構築を目的として行われた．本研究課題においては，平成22～24年度基盤研究 (C) (一般) 『二相分散流システムにおける物質輸送機構のモデル化』(課題番号22560154) において同研究代表者により構築された手法等成果が用いられた．
本研究課題は，直接数値シミュレーションを用いた3つのテーマにより構成される: (1) 不均一流体乱流内における粒子分散メカニズムの解明とモデル化，ポリマー・界面活性剤を用いた流体乱流抵抗低減手法の構築．(2) 液体乱流内におけるマイクロバブルの分散メカニズムの解明，マイクロバブルを用いた流体乱流抵抗低減手法の構築．(3) 波面・粗面上流体乱流内における物質・熱の輸送メカニズムの解明．平成25年度に行った予備研究において上記1，2のテーマ拡大によって注目すべき結果が得られる予想を得たため，平成26年度はテーマ3の予定を中止することとした．
テーマ1においては，鉛直に設置した平行平板間チャネル内下降気体乱流中に粒子を均一添加した場合の非定常挙動を計算し，粒子の慣性・分散相の体積割合・移流の対重力効果を表すフルード数が気体乱流・粒子輸送に及ぼす効果に対して検討を加えた．テーマ2においては，鉛直に設置した平行平板間チャネル内上昇液体乱流中にマイクロスケールの気泡を均一添加した場合の非定常挙動を計算し，気泡の体積割合，フルード数が液体乱流・気泡輸送に及ぼす効果について検討を行った．国内外の学会において，これら2テーマにおける運動量輸送理論を示した．平成27年度以降もさらに発展させた内容を国内外の学会と雑誌において発表する予定である．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
平成26年度は，(1) 不均一流体乱流内における粒子分散メカニズムの解明とモデル化，ポリマー・界面活性剤を用いた流体乱流抵抗低減手法の構築，(2) 液体乱流内におけるマイクロバブルの分散メカニズムの解明，マイクロバブルを用いた流体乱流抵抗低減手法の構築の2テーマを並行して行った．
粒子分散流に関する研究においては，粒子が気体乱流に及ぼす影響のメカニズムの解明を目的として，鉛直に設置した平行平板間チャネル内下降気体乱流中に粒子を均一添加した場合の非定常挙動の直接数値シミュレーションを広範囲の粒子体積割合・粒子慣性 (粒子サイズ)・フルード数 (重力の対乱流効果) に対して行った．平成27年7月に韓国ソウルにおいて開催される米国機械学会・日本機械学会・韓国機械学会合同流体工学会議において本結果を発表する予定である．今後さらに検討を加え，発展させた内容を国内外の学会と雑誌において発表する予定である．また，粒子の乱流分散に対する粒子慣性・重力の効果について検討した内容の取りまとめ中である．
マイクロバブル流に関する研究においては，マイクロスケールの気泡が液体乱流に及ぼす影響のメカニズムの解明を目的として，鉛直に設置した平行平板間チャネル内上昇液体乱流中に気泡を均一添加した場合の非定常挙動の直接数値シミュレーションを行った．当該場に対して構築した運動量輸送理論を平成26年7月に札幌市において開催された混相流シンポジウム，同年11月に米国サンフランシスコにおいて開催された米国物理学会流体力学部門年会において発表した．平成27年度に行う計算の結果を踏まえて，成果を国内外の学会と雑誌において発表する予定である．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究課題に対する補助金により平成26年度に導入した計算機を用いて，マイクロバブル流 (テーマ2) の計算をパラメータ (フルード数，気泡サイズ，体積割合) の領域を拡大して行う．本計算は平成28年度まで続く予定であるが，段階ごとに結果を取りまとめ発表を行う．
粒子分散流の研究 (テーマ1) については，粒子添加が気体乱流に及ぼす効果の検討のために行った非定常挙動の直接数値シミュレーションは平成26年度に終了しており，発達場の計算は平成27年度に終了する予定である．平成27年度以降，結果の取りまとめと成果の発表を行う．非定常挙動についての検討結果は，平成27年7月に米国機械学会・日本機械学会・韓国機械学会合同流体工学会議（韓国ソウル）において発表する予定である．また，粒子の乱流分散に対する粒子慣性・重力の効果について雑誌等において発表予定である．
粒子・気泡等の添加物を用いた乱流の制御に対する検討を上記テーマ1と2の結果を用いて行う．分散相・添加物の制御としての性能に対して検討を加える．平成26年度に得られた結果を用いて，第一報を平成27年6 月に福岡国際会議場において開催される第52回日本伝熱シンポジウムにおいて発表する予定である．平成27年度以降得られるデータを用いてさらに検討を行う．
波面・粗面上流体乱流内における物質・熱の輸送メカニズムの解明 (テーマ3) については平成28年度に開始する予定である．計算の条件と検証には，米国イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のHanratty教授のグループによる実験・直接数値シミュレーションのデータを用いる．剥離領域の生成による運動量・熱輸送の変化，平板チャネル乱流と波状チャネル乱流間の各種輸送におけるスケーリングに対して検討を加える．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究の打ち合わせのため米国イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校のThomas J. Hanratty教授を訪問する計画を中止したため．なお，Hanratty教授との研究の打ち合わせは，平成26年9月に休暇でイリノイ大学アーバナ・シャンペーン校を訪問した際に行った．
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| 次年度使用額の使用計画 |
平成27年7月に韓国ソウルにて開催される米国機械学会・日本機械学会・韓国機械学会合同流体工学会議参加のための旅費に充てる．会議において，鉛直チャネル内下降気体乱流に対して粒子添加が及ぼす影響に対する検討結果 (テーマ1) を発表する．
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