鉄鋼プロセスにおける反応容器内部で起こる気液界面現象の音響学的診断のための研究

溶銑予備処理工程のインジェクション法では，脱硫剤などの粒子群は不活性ガスと共に吹込まれる．そのような粒子は溶銑との濡れが悪いため溶銑内に侵入する際，背後にガスを纏ってしまい，浴内での分散が阻害される．一方，微小気泡が生成・崩壊するとき，化学反応は促進される．このように，溶銑の粒子群が纏う気泡は粒子の浴内分散と化学反応に密接に関係するが，溶銑は不透明であるため浴内での粒子群の分散挙動を直接観察して評価できない．本研究では，反応容器内部で起こる気液界面現象を直接視認すること無しに浴外から音響学的に診断する方策について検討している．今年度は，粒子が溶銑内に貫入するときその背後に纏う気泡の形状と放射音の関係について検討した．これは流体が水でない場合，物性値の違いにより，粒子に纏う気泡形状が種々に変化することに対応するためである．球形気泡の振動によって生じる放射音は，レイリー・プレセット方程式によって理論的に検討されている．本研究では，粒子背後に形成される気泡形状はフルード数の値が大きくなるほど鉛直方向に引き伸ばされ球形でなくなるが，気泡分裂の際に生じる放射音の卓越周波数は球形気泡の理論解で説明できることを確認した．さらに，可視化実験により，卓越周波数に対応する放射音は気泡体積の時間変化によって生じていることを明らかにした．気泡形状は放射音の減衰率に影響し，特に，放射音が高周波数となる条件ではより顕著に表れる．本研究では，先の方程式に対して，細長物体理論で気泡形状を近似し，気泡先端の振動による影響を理論的に検討した．この結果は，実験結果で得られた気泡形状による減衰率の違いを説明できるモデルであることが示唆された．加えて，気液界面現象を計算する手法として，渦粒子法にペナルティ法の概念を適用したもの構築しており，境界面に回転の影響が加えられた場合のモデル式について検討した．

溶銑予備処理工程のインジェクション法では，脱硫剤などの粒子群は不活性ガスと共に吹込まれる．そのような粒子は溶銑との濡れが悪いため溶銑内に侵入する際，背後にガスを纏ってしまい，浴内での分散が阻害される．一方，微小気泡が生成・崩壊するとき，化学反応は促進される．このように，溶銑の粒子群が纏う気泡は粒子の浴内分散と化学反応に密接に関係するが，溶銑は不透明であるため浴内での粒子群の分散挙動を直接観察して評価できない．本研究では，反応容器内部で起こる気液界面現象を直接視認すること無しに浴外から音響学的に診断する方策について検討している．今年度は，粒子が溶銑内に貫入するときその背後に纏う気泡の形状と放射音の関係について検討した．これは流体が水でない場合，物性値の違いにより，粒子に纏う気泡形状が種々に変化することに対応するためである．球形気泡の振動によって生じる放射音は，レイリー・プレセット方程式によって理論的に検討されている．本研究では，粒子背後に形成される気泡形状はフルード数の値が大きくなるほど鉛直方向に引き伸ばされ球形でなくなるが，気泡分裂の際に生じる放射音の卓越周波数は球形気泡の理論解で説明できることを確認した．さらに，可視化実験により，卓越周波数に対応する放射音は気泡体積の時間変化によって生じていることを明らかにした．気泡形状は放射音の減衰率に影響し，特に，放射音が高周波数となる条件ではより顕著に表れる．本研究では，先の方程式に対して，細長物体理論で気泡形状を近似し，気泡先端の振動による影響を理論的に検討した．この結果は，実験結果で得られた気泡形状による減衰率の違いを説明できるモデルであることが示唆された．加えて，気液界面現象を計算する手法として，渦粒子法にペナルティ法の概念を適用したもの構築しており，境界面に回転の影響が加えられた場合のモデル式について検討した．