2018 Fiscal Year Annual Research Report
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18H01758
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
岩井 一彦 北海道大学, 工学研究院, 教授 (80252261)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
上野 和之 岩手大学, 理工学部, 教授 (20250839)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 電磁流体力学 / 混相流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
強度や耐食性など、様々な特性を向上させるために、金属材料は種々の元素を加えて合金とすることが多い。
しかしながら、鋳造中に元素が不均一に分布してしまい、その特性を十分に発揮でないことがある。鋳造中の液体金属の流れの抑制がその防止に有効である。そこで、鋳造中における固液混相への磁場印加が、流動抑制にどの程度影響を与えるのかを明らかにする。
その嚆矢として、デンドライトに見立てた固相の銅棒を軸方向と平行配置された円管内を流れる溶融錫に磁場を印加したときの流速が計測可能な実験装置の組み立てを、今年度は行った。その装置を用いて、磁場印加が流速に与える影響を調査したところ、磁場を印加することで溶融錫の流速が抑制されることが分かった。また、円管内に配置する銅棒の本数と円管内径を変えることで流動の抑制効果の大きさが変化することを見出した。さらに、導電性の棒状固相と導電性流体（溶融錫）とから構成される固液混相への磁場印加したときの、棒状固相の設置位置が流動抑制効果へ与える効果について評価した。その結果、磁場印加することで、銅棒の設置位置によらず溶融錫の流速は抑制された。しかしながら、銅棒の設置位置による流動抑制効果については、今回の実験条件では明瞭な差異を確認できなかった。一方、実験系を模擬した溶融錫の流動現象について、電磁気学と流体力学に基づいて数値計算を行ったところ、銅棒の設置位置により、電流分布が変化することが明らかとなった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
「研究業績の概要」で述べた成果を得ることができた。しかしながら、磁場無印加下では乱流条件でも、磁場を印加することで流速低下が起こり層流となる実験条件が見られた。そこで、磁場無印加条件で、流動が乱流ではなく層流となる条件を求めることとした。溶融錫は粘性係数が小さいので、パイプ内の流れを層流とするには、ヘッドを小さくする必要がある。一方、湯面を一定に保持するための実験技術的観点からは、ヘッドを小さくすると、相対誤差が増加する。パイプ内の流れに対する圧力損失はムーディー線図から求めることができるものの、パイプ内に平行に棒を入れた時の圧力損失の推測は磁場を印加しない条件下でも困難である。そこで、それらの調整を行うための予備実験に相当の時間を費やすこととした。予備実験では、溶融金属ではなく、水を用いることで、設備を簡略化し、かつ、目視を可能とした実験系とした。そして、その実験結果に対して相似側を適用することで、溶融金属（錫）を用いた場合の、適切な条件を見出した。そして、できうる限りその条件下で、固液混相領域内を流れる導電性液体へ磁場印加したときの流動抑制効果の解明実験を行うこととした。
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| Strategy for Future Research Activity |
磁場無印加条件で、流動が乱流ではなく層流となる条件を最初に求め、できる限りその条件下で実験を行うこととした。そのため、液体金属流動、デンドライトに見立てた固相、磁場のそれぞれの向きが流動に与える影響ではなく、固相と液相のそれぞれの電気伝導度が流動に及ぼす効果について解明を行うこととした。電磁流体力学の過去の研究で、パイプ内を流れる溶融金属に磁場印加した時の流動抑制効果はパイプ壁の電気伝導度に依存することが明らかになっている。そこで、溶融錫よりもはるかに電気伝導度の良い銅、あるいは電気的絶縁体とみなせるセラミックスを固相として実験を行う。数値解析も実験と同様の解析対象を採用する。金属あるいは合金の固相の電気伝導度と液相の電気伝導度の差は、上述の液相錫と固相銅、あるいは液相錫と固相セラミックスとの電気伝導度の差異より小さいので、実験あるいは数値解析で得られる結果の中間に実現象はあることとなる。数値解析も実験と同様の解析対象を採用する。そして、実験結果と解析結果とを比較・検討することで、磁場による流動抑制効果の物理的解釈を行う。
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Research Products
(6 results)
