脈動流場におけるくぼみ付き流路内のカオス混合と物質移動促進

流れのはく離と流体振動を利用した物質移動促進は層流域で有効であることが最近報告されている。その機構は流体振動によって引き起こされるカオス混合が関与していると推察されているが、カオス混合と物質移動が定量的にどのような関係にあるかは不明であり、本研究では2次元キャビティ流れを対象として数値シミュレーションによって検討した。その結果、カオス混合は外部から加えたある速度振動数で最大となることを見い出した。これに対して物質移動は過渡的状態ではカオス混合と良好に相関付けられるが、定常状態では必ずしも対応しないことがわかった。これはカオス混合が流体の動的挙動に強く依存しているためであると考えられる。またカオス混合は乱流混合とは異なり、流れ自身を乱流へ遷移させずに混合が促進されるため、注入したエネルギーに対して高い移動促進率が得られる可能性がある。そこで本研究では実用装置を念頭におき、脈動流場におけるくぼみ付き流路内の移動促進効果を実験的に検討した。その結果、低レイノルズ数域でも高い移動促進効果が得られ、設計に役立つ相関式を提案した。また、高レイノルズ数域では移動促進率は加えた流量振動数に依存し、流路自身の流れの不安定性に強く関連することが示唆された。この詳細は今後の検討課題としたい。

流れのはく離と流体振動を利用した物質移動促進は層流域で有効であることが最近報告されている。その機構は流体振動によって引き起こされるカオス混合が関与していると推察されているが、カオス混合と物質移動が定量的にどのような関係にあるかは不明であり、本研究では2次元キャビティ流れを対象として数値シミュレーションによって検討した。その結果、カオス混合は外部から加えたある速度振動数で最大となることを見い出した。これに対して物質移動は過渡的状態ではカオス混合と良好に相関付けられるが、定常状態では必ずしも対応しないことがわかった。これはカオス混合が流体の動的挙動に強く依存しているためであると考えられる。またカオス混合は乱流混合とは異なり、流れ自身を乱流へ遷移させずに混合が促進されるため、注入したエネルギーに対して高い移動促進率が得られる可能性がある。そこで本研究では実用装置を念頭におき、脈動流場におけるくぼみ付き流路内の移動促進効果を実験的に検討した。その結果、低レイノルズ数域でも高い移動促進効果が得られ、設計に役立つ相関式を提案した。また、高レイノルズ数域では移動促進率は加えた流量振動数に依存し、流路自身の流れの不安定性に強く関連することが示唆された。この詳細は今後の検討課題としたい。