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

使用高速超声断层扫描在磁场作用下液态金属两相流的流动评估和建模

• 批准号: 21H01250
• 负责人: 村川 英樹
• 金额: $ 11.23万
• 依托单位: Kobe University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01250/
• 关键词: 液体金属二相流; 超音波トモグラフィ; 電磁流体; 二相流; 液体金属; 磁場; 超音波; ボイド分布

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。

使用申请人开发的超声层析成像方法，进行研究的目的是通过实验评估细胞直径，气泡间距和气泡行为，当将水平磁场应用于凝胶合金中的开放细胞上升。在超声断层扫描中，在安装传感器的测量部分中测量瞬时空隙分布，因此不可能通过一个部分的测量来评估气泡的三维行为。因此，我们开发了一种根据两个部分之间的时间延迟来计算气泡速度向量的方法，该方法通过对两个特写部分进行测量。考虑到气泡的上升速率和断层扫描测量的时间分辨率，两部分之间的距离设置为15 mm。通过控制触发信号，将传感器的超声传输间隔设置为0.125ms，并以1ms的时间分辨率测量每个横截面的气泡分布。以2ms的间隔交替对两个横截面进行测量。当气泡通过测得的横截面时，通过气体界面获得的超声反射强度增加。这确定了在测量体积内以厚度方向穿过中心的时候，横截面重建的图像。通过重建图像获得的气泡形状是椭圆形近似，通过图像处理来计算气泡的重心坐标，并根据两个交叉段之间的重心坐标和测量延迟时间之间的重心中心坐标的变化来计算气泡的三维行为。实验是在固体球体上进行的，并且与高速相机相比，可以用误差为±10％来测量气泡上升速率。使用一个通过炮金升起的气泡链上的一个横截面进行了断层扫描测量。评估了水平磁场施用的影响。这表明水平磁场的应用抑制气泡在气泡中的波动，其体积等效直径约为5 mm，并且气泡集中在容器横截面的某个区域中，并且气泡上升。此外，经过实验表明，在气泡流速高的条件下，气泡略微分布在垂直于水平磁场的方向上。

项目成果

ガリウム合金中を上昇する連続気泡の可視化

镓合金中上升的开放气泡的可视化

• 发表时间: 2022
• 作者: Takashi Tokumasu;Naoya;Uene;Takuya Mabuchi1,3;Masaru Zaitsu4 and Shigeo Yasuhara;前田 紗奈，村川 英樹，Fu Xin，足立 和司
• 通讯作者: 前田 紗奈，村川 英樹，Fu Xin，足立 和司

Behavior of single bubble chain in gallium eutectic alloy under influence of transverse magnetic field

横向磁场影响下镓共晶合金中单气泡链的行为

• 发表时间: 2022
• 作者: Hideki Murakawa;Xin Fu;Kazushi Adachi
• 通讯作者: Kazushi Adachi

Measurements of continuously released bubbles motion in liquid metal using ultrasonic techniques

使用超声波技术测量液态金属中连续释放的气泡运动

• 发表时间: 2021
• 作者: Hideki Murakawa;Tomonori Shimizu
• 通讯作者: Tomonori Shimizu

Evaluation of Behavior of Continuous Bubbles Rising in a Gallium Alloy under Influence of Horizontal Magnetic Field by Using a High-speed Ultrasonic Tomography

利用高速超声断层扫描评估水平磁场影响下镓合金中连续气泡上升的行为

• DOI: 10.3811/jjmf.2023.t003
• 发表时间: 2023
• 期刊: JAPANESE JOURNAL OF MULTIPHASE FLOW
• 作者: 池田 幸穂;小金沢 新治;谷 弘詞;呂 仁国;川田 将平;村川 英樹，前田 紗奈
• 通讯作者: 村川 英樹，前田 紗奈

Development of a high-speed ultrasonic tomography system for measurements of rising bubbles in a horizontal cross-section

• DOI: 10.1016/j.measurement.2021.109654
• 发表时间: 2021-08-02
• 期刊: MEASUREMENT
• 影响因子: 5.6
• 作者: Murakawa, Hideki;Shimizu, Tomoyuki;Eckert, Sven
• 通讯作者: Eckert, Sven