円錐型テイラー・クエット流の流動・混合現象の解明と新型化学反応装置への応用

本研究では、円錐型のテイラー・クエット流も渦流状態において、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動することに着目して、この流れ形の混合特性が低剪断でマイルドであり、かつ大域的な混合も良いという予測をたてた。この予測に基づき、この流れ系の有する複雑な流動状態を精密に制御することにより、今までにない新規な反応装置への展開を目指し、以下の項目について調べることを目的とする。1)数値計算法、流れの可視化法、流速測定法を用いて詳細に流動状態を調べる。2)蛍光染料を用いた可視化法による濃度変位測定等により混合・反応特性を調べる。今年度は昨年度作成の流動マップに基づき、各流動モードの流動特性を調べるとともに、蛍光染料にフルオレセインナトリウムを用いて、中和反応を利用することによる孤立混合領域の可視化および、トレーサ応答法による混合特性について調べた。また、一般の撹拌槽の混合と比較するために、低レイノルズ数域における撹拌槽の孤立混合領域についても調べた。同様に従来型の円筒型のテイラー渦流反応装置についても層流混合特性を調べた。その結果、円錐型のテイラー・クエット流反応装置において、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動する流れモードは比較的低いレイノルズ数域で出現し、渦セルの移動速度はレイノルズ数が低いほど速くなることがわかった。さらに、この流れモードでは注入されたトレーサは渦内に留まり、渦セルの移動により上方に移動することがわかった。このことより、このモードの混合特性は従来の渦セルが移動しない定在型のテイラー渦流とは全く異なったものであることがわかった。また、定在型の渦流モードに対して、流れ場に微小な周期的摂動を加えると撹拌槽の孤立混合領域と同様のフラクタルな微細構造が生じることもわかった。以上の結果から、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動する流れモードを混合に利用すれば、非常に流速の遅い状態でも大域的な混合が有効に行われることが確かめられた。このことより、バイオリアクターや重合反応装置などの低剪断や高粘性によるレイノルズ数の低い操作条件が必要な反応装置に対して、この流れが非常に有効であることがわかった。

本研究では、円錐型のテイラー・クエット流も渦流状態において、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動することに着目して、この流れ形の混合特性が低剪断でマイルドであり、かつ大域的な混合も良いという予測をたてた。この予測に基づき、この流れ系の有する複雑な流動状態を精密に制御することにより、今までにない新規な反応装置への展開を目指し、以下の項目について調べることを目的とする。1)数値計算法、流れの可視化法、流速測定法を用いて詳細に流動状態を調べる。2)蛍光染料を用いた可視化法による濃度変位測定等により混合・反応特性を調べる。今年度は昨年度作成の流動マップに基づき、各流動モードの流動特性を調べるとともに、蛍光染料にフルオレセインナトリウムを用いて、中和反応を利用することによる孤立混合領域の可視化および、トレーサ応答法による混合特性について調べた。また、一般の撹拌槽の混合と比較するために、低レイノルズ数域における撹拌槽の孤立混合領域についても調べた。同様に従来型の円筒型のテイラー渦流反応装置についても層流混合特性を調べた。その結果、円錐型のテイラー・クエット流反応装置において、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動する流れモードは比較的低いレイノルズ数域で出現し、渦セルの移動速度はレイノルズ数が低いほど速くなることがわかった。さらに、この流れモードでは注入されたトレーサは渦内に留まり、渦セルの移動により上方に移動することがわかった。このことより、このモードの混合特性は従来の渦セルが移動しない定在型のテイラー渦流とは全く異なったものであることがわかった。また、定在型の渦流モードに対して、流れ場に微小な周期的摂動を加えると撹拌槽の孤立混合領域と同様のフラクタルな微細構造が生じることもわかった。以上の結果から、大域循環流の効果で渦セルが自発的に軸方向に移動する流れモードを混合に利用すれば、非常に流速の遅い状態でも大域的な混合が有効に行われることが確かめられた。このことより、バイオリアクターや重合反応装置などの低剪断や高粘性によるレイノルズ数の低い操作条件が必要な反応装置に対して、この流れが非常に有効であることがわかった。