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研究室だより Vol.9 杉山研究室

機能デザイン領域 推進工学講座 流体工学グループ

気液界面を有する流れの研究

教授・杉山 和靖,准教授・堀口 祐憲,助教・米澤 宏一

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液体の流れの中では,流れ方に応じて圧力に分布ができます.圧力が飽和蒸気圧よりも低くなると,気泡が発生します.この現象をキャビテーションと呼びます.キャビテーションは,高速で運転される流体機械,装置で発生し,性能劣化,振動・騒音,壊食の原因となります.キャビテーションは,19世紀末に発見されて以来,多くの研究者によって研究されてきましたが,未だ,予測が極めて難しい現象です.理由には,(i) 分子スケール (nm) から,気泡のスケール (μm~mm),機器のスケール (mm~m) に至るまで,多重のスケールの動力学が関係すること,(ii) 気液の混在する多相流れであり,キャビティ界面が複雑に変形することが挙げられます.特に後者に関して,泡だらけな状態 (図(a)) になると,流れ方が変わり,機械/装置に働く流体力が変わります.その結果,設計どおりの性能が発揮できなくなるばかりでなく,望まない振動を引き起こし,危険な状態に至る場合があります.安全面での想定外を無くすには,事前に現象を忠実に,包括的に捉えること,さらに,現象の本質を引き出し,単純化したモデルを築くことが重要です.そうすることで初めて,問題を理解し,問題に取り組むことにつながるからです.私たちは,例えば,翼面キャビテーションの動特性に着目し,流量変動に対するキャビティ界面の応答などを,実験や数値シミュレーションによって調べています.
液中の気泡は,害になるばかりでなく,有益な特性を示す場合があります.特に,径の小さなマイクロバブルには,超音波医療画像の鮮明化を実現するセンサ機能や,音響エネルギの集束や乱流の抑制・促進を実現するアクチュエータ機能があります.私たちは,複雑な界面運動を予測する計算手法 (図(b)) を開発するとともに,マイクロバブル流れの機能を上手く使いこなすための研究にも取り組んでいます.

図(a): インデューサに生じるキャビテーションの実験.図(b): チャネル内気泡流

Last Update : 2015/08/17