粘弾性流動シミュレーションを用いた高分子流体の定常流動特性測定系の改良および開発

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急縮小流れをベースにした伸長粘度の測定方法を確立する目的で、まず、慣性の影響の無視できない高分子溶液考え、それと同様な弾性を有しかつ慣性を無視した仮想流体を設定し、有限要素法による急縮小流れの粘弾性流動計算を行った。伸長粘度の算出に必要な入口圧力損失(入口圧損)は、同程度の弾性の下では慣性の増加とともに値は大きくなり、その上昇分は流体のもつ物性により異なることがわかった。また、計算で得られた入口圧損からCogswellの理論を用いて伸長粘度を試算した。同程度の伸長速度で比較すると、入口圧損をベースに算出された伸長粘度は、慣性の影響により値は大きくなるが、流入角をベースに算出された伸長粘度は、逆に値が小さくなる傾向が見られた。計算で用いた粘弾性モデルの特性との比較を行うと、値は両者とも低くなったが、値の増減の傾向は捕らえることができた。上述の結果から、Cogswellの理論の妥当性や慣性の影響による測定値の補正方法などの検討が必要であるが、誤差範囲内で傾向を捕らえることに限ると、現段階では入口圧損をベースにした算出方法が測定の容易さからも有用であると思われる。次に、急縮小流れを利用した伸長粘度測定装置を試作し、PAA水溶液(0.1〜0.5wt%)の入口圧損を測定を行い、Cogswellの理論を用いて定常伸長粘度の算出を試みた。測定できた伸長速度(約0.1〜3/s)の範囲内では、PAAの濃度を上げると伸長粘度は同じ伸長速度で大きくなり、いずれも伸長速度が上昇するとともに減少する結果が得られた。伸長速度の増大とともに高分子鎖が伸長方向に配向し、変形に必要な伸長応力の増加量が押えられたためと考えると定性的には妥当な結果であると判断できる。今後は、測定値の妥当性は精度の向上などについて実験と計算との両面からのさらなる詳細な検討を行い、精度よい測定系の確立を目指したい。