フォトクロミズムによる微細流路内熱流動場の速度・温度同時計測

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フォトクロミズムを熱流体場の可視化計測に応用し,紫外線照射による励起着色部の移動距離からの速度分布計測とともに,着色部の消色速度から温度分布をも非接触かつ同時に画像計測する方法を微細流路の壁面近傍におけるミクロな界面現象の解明に適用することを試みた.それに先立ち,まず固液界面における界面現象に顕著な影響を与えうる撥水性壁面に注目した.流路径が数cm程度の通常サイズ流路において壁面に超撥水(水滴接触角150度以上)処理を施すことにより,層流領域で壁面において流体のすべりが生じ流動抵抗が低減するという報告があるが,その詳細な速度分布,特に壁面での実際のすべり速度の計測はされておらず,撥水性界面現象の原因などの詳細については未だに解明されていない.そこで,本研究では直径数mmのガラス円管内に内部流動の様子が確認できるよう平滑な表面構造を有する無色透明なシリコーン系撥水剤を塗布し,水単相流および水・窒素二相流の流動特性と圧力損失の測定を行った.単相流において摩擦損失係数について検討したところ,通常のガラス管と同様にポアズイユ流れとほぼ同じ結果となり,今回用いた撥水壁においては壁面での明確なすべりは確認できなかった.さらに流体に水道水を用いた際には,通常のガラス管に比べ、溶存している空気が撥水壁面に気泡として析出しやすいということも確認された.また二相流実験では,常に壁面において液膜を有する通常のガラス管に対して,撥水管を用いた場合には気相部分の壁面で液膜の破断を起こし,気相と液相が分離した流動様式が見られ,その状態では非常に大きな流動抵抗を生じていることが分かった.この原因として液相前後部の壁面との付着・はがれといった現象によるものと考えられ,今回塗布した撥水剤の種類の違いによる静止摩擦係数と動摩擦係数の関係に類似した傾向も見られた.