気液界面のミクロスケール輸送現象と境界条件に関する研究

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その工学・工業的重要性より、気液二相流に関する膨大な研究が行われているが、二相流の複雑性や多様性の根元である気液界面の特性に関しては未だ殆ど理解されていない。現在までの二相流研究は気液界面で両相の速度が等しいという仮説に立脚しているが、仮説の妥当性は保証されていない。一方、理論的に界面エントロピーの増加により界面において有限な相間速度差が生じることが示唆されているが、計測の困難さのため実験的な証明は無く、相間速度差のオーダーすら把握できていない。混相流研究のブレークスルーのためには、界面における物理、具体的には界面における両相の境界条件の研究が不可欠である。本研究では、気液二相流研究の根幹をなす界面上の速度の境界条件を実験的に解明する。さらに、その結果を基に詳細数値解析を実施し、微視的な界面の境界条件とメゾスケールの運動量輸送の関係を明らかにすることを目的とする。本年度は、前年度測定した平滑な気液界面近傍の両相速度分布について検討し、(1)界面において両相の速度差(界面スリップ)を生じる場合があること、(2)界面スリップは不可逆的界面運動量輸送が生じている条件で存在すること、(3)既存の界面エントロピー生成の評価式と実験結果が無矛盾であること、(4)界面スリップの大きさは代表速度の2%程度であることを示した。一方、既存の界面追跡法に基づく数値解析手法では気液界面がボケるため、以上の実験結果を反映することが困難である。そこで、界面評価精度を向上するため、計算格子内に界面評価用の格子を埋め込む新手法を考案した。また、単一気泡に対して本手法を適用し、本手法が計算格子程度の解像度で界面を捕らえることが可能であり、既存手法に比べ界面評価精度を大幅に改善できることを確認した。さらに、ロッドバンドル内を上昇する気泡を対象として、数値解析と実験を行い、本手法の有用性を確認した。