電気粘性効果を利用した粒子配向構造制御による固液混相流中での熱移動制御

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本研究では、絶縁性流体中に浮遊させた固液混相流体に外部から電界を印加すると、電界の方向に配向した数珠状粒子凝集構造が形成し、混相流体の見かけ粘度が増加する電気粘性効果を凝集体構造制御法として利用し、固液混相流から熱移動を行う系において粒子凝集構造を制御することにより熱流束制御を行う技術の開発を目指した。昨年度検討した流路内での電界形成法の結果に従い製作した2種類の流路、すなわち、二次元流路の上下壁を電極として直流電界を印加できる流路、および、平行平板電極を流れ方向に2組上下壁に設置し、上流側の上下壁を正極、下流側を負極として直流電界を印加できる装置で、運動量輸送に及ぼす凝集体配向構造の影響を検討した。その結果、安定したER効果が得られるのは、層流域のRe数が比較的低い領域であり、その領域内では直交配向した凝集体形成による圧力損失増加量は平行配向した凝集体形成時の約3倍となることがわかった。また、その理由を、配向による流体抵抗力の違いと、粒子間付着力と流体抵抗力の力の釣合から求められる凝集体切断点数の違いを考慮したモデルにより説明できた。なお、この関係が成立する限界のRe数は粒子濃度により変化し、高濃度ほど限界のRe数は低くなることも明らかにした。また、限界Re数を超えるとER効果は減少し、Re数2000前後で直交配向した凝集体でも平行配向した凝集体でもER効果は消失する。Re数をさらに増加させると、電界を印加した時の方が無電界時よりも圧力損失が低下するという、抵抗低減現象が起こることが見つかった。このような現象が凝集構造を電界で制御した固液混相流で起こるということは今のところ報告されていない。なお、この抵抗低減は、運動量輸送とアナロジーが成立する熱移動を、粒子凝集体により抑制できることを示唆する。