高速超音波トモグラフィを用いた磁場印加時の液体金属二相流の流動評価とモデリング

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申請者が開発した超音波トモグラフィ法を用いて、ガリウム合金中を上昇する連続気泡を対象に、気泡径、気泡間隔および水平磁場印加時の気泡挙動を実験的に評価することを目的に、研究を実施した。超音波トモグラフィでは、センサを設置した計測断面での瞬時ボイド分布を計測するため、一断面での計測では気泡の三次元挙動を評価することが出来ない。そこで近接した二断面での計測を実施することで、二断面間での時間遅れに基づき気泡の速度ベクトルの算出を行う手法を開発した。気泡の上昇速度およびトモグラフィ計測の時間分解能を考慮し、二断面間の距離を15mmに設定した。トリガ信号を制御することで、センサからの超音波送信間隔を0.125msに設定し、各断面を1msの時間分解能で気泡分布を計測した。二断面での計測は2ms間隔で交互に実施した。気泡が計測断面を通過する際、気液界面によって得られる超音波反射強度が高くなる。これにより、気泡が測定体積内の厚み方向中央を通過した時刻における断面再構成画像を決定した。再構成画像によって得られる気泡形状に対して、画像処理によって楕円近似を実施することで気泡の重心座標を算出し、二断面間での重心座標の変化、および計測の遅れ時間から気泡の三次元挙動の算出を実現した。水中において固体球および上昇する気泡に対して実験を実施し、高速度カメラとの比較により±10%の誤差にて、気泡上昇速度の計測が可能であることを示した。ガリウム合金中を上昇する気泡鎖に対して、一断面によるトモグラフィ計測を実施した。水平磁場印加による影響を評価した。体積等価径が約5mmである気泡において、水平磁場を印加することで気泡の揺動が抑制されること、気泡が容器断面の一定領域に集中して気泡が上昇することを示した。さらに気泡流量が多い条件では、水平磁場に直交する方向において、気泡が僅かに分布することを実験的に示した。