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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

圆锥泰勒-库埃特流中流动和混合现象的阐明及其在新型化学反应装置中的应用

基本信息

批准号：
12750663
负责人：
大村直人
金额：
$ 1.6万
依托单位：
Kobe University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

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。

In this study, the vortex state of conical flow and the effect of large area circulating current are studied. The vortex moves in the direction of the axis of self-generation. The mixing characteristics of conical flow and large area shear mixing are studied. This prediction is based on the fact that there are complex flow conditions in the flow system, which are precisely controlled, and the new design is based on the development of the reaction device. The following items are adjusted. 1)Numerical calculation method, flow visualization method, flow velocity measurement method are used to adjust the flow state in detail. 2) Optical dyes are used in the visualization method, concentration measurement, etc., mixing and reflection characteristics are adjusted. This year, the flow characteristics of each flow field were adjusted by the use of fluorescent dye, neutralization and reaction, and the visualization and adjustment of mixing characteristics of isolated mixed fields were made. In addition, the mixing of general stirred tank is compared with that of low stirred tank in the number field. In the same way, the laminar mixing characteristics of the vortex device are adjusted. As a result, the cone type flow reverser device has a large area circulation current effect, and the vortex moves in the direction of the axis. The flow is relatively low in number and appears in the low in number. The vortex moves at a low speed. The flow of water into the river is not stable, but it is stable. The mixed characteristics of the vortex are different from those of the vortex. In addition, due to the constant vortex tube, the tiny periodic "movements" of the flow field are added, and the isolated mixing field of the stirred tank and the same clear-cut microstructure are created. As a result, the circulation currents in large areas move in the direction of the axis, and the mixing currents in large areas move in the direction of the axis. The low operating conditions for the low shear and high viscosity of the reclosing inverter are necessary for the inverter.