【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】11450072 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

流体力学 / 気泡流 / 気泡周りの流動特性 / 超音波パルスのドップラ効果 / 多点ボイド率計測法 / 画像処理計測 / UVP / WMT / 多点ボイド率計測装置 / 乱流 / 粒子-流体モデル / 画像処理 / 超音波パルスのドップラー効果

【研究成果の概要】

100mm×20mmの垂直矩形流路に気泡上昇流を形成させ、超音波流速分布計(UVP)を用いて二相流の瞬時流速分布を計測した。得られたデータを統計的に処理をすることで、気泡周りの液相の微視的な流動特性を調べるとともに測定体積の測定結果への影響を調べ、以下のことを明らかにした。
(1)気泡周りの速度分布は、液相流量によらない固定的な層(粘性底層)、液相主流が支配的な領域(主流領域)およびその遷移領域の三つの領域に分類することが出来る。
(2)気液界面近傍における,液相の速度勾配は流量条件に寄らずにほぼ一定となる.
(3)気泡周りの流動構造は気泡レイノルズ数によって表すことができる.
(4)気泡周りの流動構造は,先行気泡の影響の有無により異なり,液相の乱れは,先行気泡によって発生した後流渦のために増加し,層流から乱流への遷移が促進される.
さらにUVPを用いたボイド率分布の計測精度を検討するため、ワイヤーメッシュ型の多点ボイド率・気相流速分布計測装置(WMT)を開発し、垂直矩形流路内の気泡上昇流のボイド率計測と気泡速度分布計測に適用し、以下のことを明らかにした。
(1)WMT法を、大気圧条件下で矩形流路内における気泡上昇流に適用し、瞬時局所ボイド率変化を計測し、その結果を統計処理することにより、時間平均ボイド率、気相速度分布、気泡体積分布を求める手法を確立した。
(2)気相みかけ速度はハイスピードカメラを用いた画像処理法と比較して、気相速度が1250mm/sの範囲で気相速度が低いときによく一致しているが、気相速度が高いときは30%までの偏差がある。しかしながら、ボイド率が20%までの範囲では、偏差はボイド率にほとんど依存しない。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2001

【配分額】13,000千円 (直接経費: 13,000千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】11450088 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

レーザ計測 / 画像処理 / PIV / 気泡流 / 乱流

【研究成果の概要】

気泡を含む流体の乱流中での移動現象は乱流スケールなどの多重化が起こり,従来の相似則的な取り扱いが適応できない複雑なメカニズムが存在する.それらの機構解明のために本研究では複合レーザイメージング技術を駆使し,詳細な実験データを得ることによって,実際の現象に促した精緻な物理モデルの構築する事を目途としている.昨年度の研究に引き続き,気泡を含む流れの微細構造の解明を目的として,周囲流体と気泡の持つマルチスケールの相互作用のメカニズムを明らかにした.
昨年度に完成させた一様剪断流路を用いた流動構造の実験を継続して行った.実験手法は昨年度と同様で,高速度ビデオカメラを用いた粒子画像流速計と,気液界面の乱反射による問題を回避するために,蛍光発光をするトレーサ粒子(以下,蛍光粒子と記す)を作成して用いた.また時系列で変化する気泡の形状と周囲流の相関を得るため,赤外線LEDを用いて気泡形状を投影図として捕らえる方法を採用した.さらに計測システムを気泡の運動と連動させるラグラジアン計測を行い,気泡の揺動の機構およびその際に気泡に加わる揚力の詳細が明らかにされた.一方,管内乱流中での気泡間の相互干渉と連続相の乱流構造変化を明らかにする目的で,矩形管内に1-2mm程度の気泡を多数添加し,同様の手法を用いて実験を行った.その結果,壁面近傍の局所ボイド率が高くなり,壁面と気泡との相互作用により強いせん断が生じ,壁面近傍の流れ方向平均速度が単相のときよりも増加することが確認された.またこのとき,壁面付近の局所ボイド率の増加に伴い管中央に局所ボイド率の低い領域が存在し,この領域では乱流強度に対する気泡の影響が小さいことがわかった.これらの現象は,気泡近傍の乱流エネルギ分布の変化に対応づけられ,メゾスケールの現象が流動場に与える影響が実験的に明らかにされた.

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】1999 - 2000

【配分額】10,200千円 (直接経費: 10,200千円)

【研究分野】流体工学

【研究領域課題番号】08405017 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

混相流 / モデリング / LES / 乱流 / 気泡流 / 分散相 / 気泡の挙動 / 画像処理

【研究成果の概要】

本研究では、分散系の混相流についてLESにおけるモデル化を試み、その評価と最適化を主に数値シミュレーションにより行うことを目的とした。混相流モデリングに際しては、気泡の流動・変形の直接シミュレーションにより媒質流体への影響や気泡間の干渉を検証し、また、固気混相流での乱流変調の予測を主な課題として取り上げた。LESにおける定式化としては、分散粒子をラグランジュ的に扱う方法と統計平均方程式により分布を2種類の計算方法の可能性を検討した上で数値検証などによってそれぞれの得失を明らかにし,後者に基づくLES解析法を構築した。これらの数値シミュレーションに基づく結果は、DNSデータおよび画像処理計測による計測データによって、個々の粒子運動と混和流全体として流動状態の2つのレベルにおいて検証された。対象流れ場としては、混合層、2次元ジェット、チャンネル流などで層流状態から乱流となる比較的高レイノルズ数範囲を対象として基本的条件での詳細な検証を行い、分散系混和流動に適用しうる普遍的な知見として、特に、気泡流、および、固気混相流に関して以下を得た。
1)気泡運動の詳細モデリングとLES空間平均における分散相への寄与を考慮した気泡乱流LESモデルにより、気泡径の違いが乱流渦気泡輸送や浮力効果にあたえる影響を解析された。
2)固気相間の相互干渉を考慮した乱流LESモデリングによりサブグリッドスケールにおける散逸は適切にモデル化されている一方、グリッドスケール散逸機構については従来の粒子モデルでは必ずしも再現されない。
これらの上記研究結果から分散粒子混相乱流のLESモデリングの有効性が確認されるとともに、乱流現象と粒子分布生成の時間スケール、空間スケールの比が粒子ー流体カップリングモデルとその解析法の最適化において考慮されるべきことが示された。

【研究種目】基盤研究(A)

【研究期間】1996 - 1998

【配分額】38,700千円 (直接経費: 38,700千円)

【研究分野】熱工学

【研究領域課題番号】04555050 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

画像処理 / 乱流 / レーザ誘起蛍光法 / 伝熱 / 成層流 / 衝突噴流 / レーザー誘起蛍光法 / 二次元計測 / 自然対流 / 強制対流伝熱 / 時系列計測

【研究成果の概要】

前年度までに開発された画像処理による温度と速度場の同時計測装置を用いて、現有の円管内温度成層流および新規構築された二次元衝突噴流系よどみ域における温度と速度を面的かつ時系列に計測し、得られたデータを前年度購入のエンジニアリング・ワークステーションを用いて新規購入のデータ処理・可視化ソフトウェアにより種々の方法で解析することで熱流動場における乱流混合および乱流伝熱機構を解明した。
現有の円管内温度成層流系は円管直径60mmでああり、レイノルズ数7400、全域的リチャードソン数0および2.5の2条件で、十分下流の温度と速度を面的かつ時系列に計測した。一時刻で約1000点の瞬時速度・温度が時系列に1000時刻分得られ、それをエンジニアリング・ワークステーションに転送し、可視化ソフトウェアによって瞬時速度、温度、渦度の可視化および平均速度、平均温度、乱れ速度、乱れ温度、乱流熱流束、平均渦度および平均自乗渦度の算出を行った。平均温度・速度分布は従来の結果と合致し、また既存のLDVによる同時計測結果ともよく一致しており、前年度開発された本計測システムの信頼性が確認された。時系列渦度分布から、温度成層流には非成層時には見られない明確な秩序構造が存在することが明らかになった。これは浮力によって混合が抑制されるためと結論づけられた。
新規構築された二次元衝突噴流系は水を作動流体とし、ノズル幅14.5mm、最大ノズル出口流速200mm/sの二次元噴流をステンレス箔ヒーターによって通電加熱された衝突板に噴射するものである。この衝突板よどみ線上から噴流上流へかけての流体側温度と速度を同時計測した。瞬時渦度分布およびその時系列分布を可視化した結果、よどみ線上には回転方向を異にした渦対構造が頻繁に発生し、これによって壁面近傍の高温流体が温度境界層外へ輸送されるため渦対の存在する部分で高い乱流熱流束が発生することが明らかになった。この渦対は噴流上流より流下し衝突面近傍で渦度を高める。さらに、平均自乗渦度の輸送方程式の各項の収支を求めることで平均流による渦度の増幅が大きな要因であることが判明した。

【研究種目】試験研究(B)

【研究期間】1992 - 1993

【配分額】5,300千円 (直接経費: 5,300千円)