低レイノルズ数流体の混合促進に関する基礎研究

数十程度の低いレイノルズ数を対象として、流路に特別な加工を施すことなく、流入時にヘッド差を与える方法で2種類の液体を効率よく混合させることができることを見いだした。本実験で用いた流路のスケールはmmオーダーである。分岐管に流入する流体にヘッド差を変えることで周期的な撹乱を与え、混合路における両者の流体界面を大きく波打たせ界面の面積を増加させた。そして混合が促進される様子をビデオカメラと顕微鏡を用いて捉え、濃度(混合度)を定量的に評価することに成功した。また、併せて2次元離散渦法による数値シミュレーションを行い、実験結果を裏付ける結果を得ることができた。ただし計算のパラメータに関しては、まだ調整が必要である。さらに流路形状を工夫することで混合促進効果を増大させる試みを行った。Y字型合流管など数種類の形状について、可視化したビデオ画像を解析することで混合促進の程度を詳細に比較した。この結果、混合路に交互に窪みを設けた流路形状が最も混合に効果があることが明らかとなった。このケースでは、撹乱の周期を流路窪みのスケールに併せて調節してやることで、窪みの部分で2種類の液体が交互に薄く積層化され、界面の面積が著しく増加させることができていることがわかった。さらに、この流路では、この積層化プロセスが凹凸部分で繰り返し起こるため、混合促進効果がさらに増幅される。このように、流入する流体に周期的な撹乱を与え、さらに流路形状に工夫を施すことで、流体同士を積層化させるという設計方針が混合促進に効果的であることが明らかとなった。

数十程度の低いレイノルズ数を対象として、流路に特別な加工を施すことなく、流入時にヘッド差を与える方法で2種類の液体を効率よく混合させることができることを見いだした。本実験で用いた流路のスケールはmmオーダーである。分岐管に流入する流体にヘッド差を変えることで周期的な撹乱を与え、混合路における両者の流体界面を大きく波打たせ界面の面積を増加させた。そして混合が促進される様子をビデオカメラと顕微鏡を用いて捉え、濃度(混合度)を定量的に評価することに成功した。また、併せて2次元離散渦法による数値シミュレーションを行い、実験結果を裏付ける結果を得ることができた。ただし計算のパラメータに関しては、まだ調整が必要である。さらに流路形状を工夫することで混合促進効果を増大させる試みを行った。Y字型合流管など数種類の形状について、可視化したビデオ画像を解析することで混合促進の程度を詳細に比較した。この結果、混合路に交互に窪みを設けた流路形状が最も混合に効果があることが明らかとなった。このケースでは、撹乱の周期を流路窪みのスケールに併せて調節してやることで、窪みの部分で2種類の液体が交互に薄く積層化され、界面の面積が著しく増加させることができていることがわかった。さらに、この流路では、この積層化プロセスが凹凸部分で繰り返し起こるため、混合促進効果がさらに増幅される。このように、流入する流体に周期的な撹乱を与え、さらに流路形状に工夫を施すことで、流体同士を積層化させるという設計方針が混合促進に効果的であることが明らかとなった。