2021 Fiscal Year Annual Research Report
Elucidation and modeling of successive fragmentation cascade of metal droplets
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21H01251
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
井上 智博 九州大学, 工学研究院, 准教授 (70466788)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
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王 振英 九州大学, カーボンニュートラル・エネルギー国際研究所, 助教 (20896633) [Withdrawn]
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 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 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
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．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
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．
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| Strategy for Future Research Activity |
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．
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Research Products
(24 results)
