自由表面における乱流物質輸送機構の解明

阐明自由表面上的湍流质量传递机制

• 批准号: 06650233
• 负责人: 長崎 孝夫
• 金额: $ 1.28万
• 依托单位: Tokyo Institute of Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for General Scientific Research (C)
• 财政年份: 1994
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 1994 至 无数据
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-06650233/
• 关键词: 乱流; 自由表面; 物質輸送; 炭酸ガス; 可視化; レーザー誘起蛍光

自由表面近傍での乱流輸送機構の解明を目的として、矩形水槽の底部で格子を機械的に振動させることにより一様等方的な乱れ場を生成し、この時の自由表面近くでの流れ、および物質輸送につき研究を行なった。まず流れの構造を明らかにするため、アルミ粉混入により流れの可視化を行なった結果、最大の大きさが格子間隔程度の大小様々な渦が発生していること、またレーザードップラ流速計による測定より速度変動は等方的であり振動格子から離れるにつれ速度変動強度が距離に反比例して減少すること、さらに粒径0.1mm程度のナイロン粒子のビデオ追跡より水槽中央部で下降する弱い平均流が存在することなどが分かった。次に液面上方の気相をCO_2ガスとし液中へのガス吸収を行なった。この時の液を種々の位置でサンプルし、CO_2濃度を全有機炭素計で測定した結果、液面近くの濃度境界層は極めて薄く、水槽内のCO_2濃度はほぼ一様な形で時間とともに増加していくことが分かった。格子の振動数および振幅を種々に変化させバルク濃度の時間変化から物質伝達率κを測定し速度変動強度u′および乱れの積分特性距離lとの相関を調べた結果、κ∝τ^<1/2>(τ=u′/l)の関係が得られた。すなわち大規模渦による表面更新が吸収の律速過程と考えられる。このような吸収機構を明らかにするためレーザー誘起蛍光による液中の濃度場の可視化を行なった。すなわち、水中に蛍光剤としてキニ-ネを微量溶解し、エキシマレーザをシート状に照射した際の蛍光をビデオ撮影し、蛍光強度のpH依存に基づき液中垂直断面内の瞬時のCO_2濃度分布の時間時間を測定した。その結果、液表面の高濃度液が局所的・間欠的に液中へ取り込まれていく様子が観察され、このような時系列2次元画像データを解析した結果、表面更新の発生頻度は速度変動の周波数スペクトルの低周波成分のピークと一致することが分かった。以上より、自由表面を通しての乱流物質輸送が乱流中の大規模渦によることが分かった。

The study of turbulence transport mechanism near the free surface is carried out in order to solve the problem of mechanical vibration of the lattice at the bottom of the rectangular tank. The structure of the inner flow is different from that of the outer flow, and the flow is different from that of the inner flow. The maximum distance between the inner flow and the outer flow is different from that of the outer flow. The velocity of the inner flow is different from that of the outer flow. The velocity of the inner flow is different from that of the outer flow. The velocity of the inner flow is different from that of the outer flow. The particle size of 0.1 mm is smaller than the average flow in the center of the tank. CO_2 absorption in the upper part of the liquid The concentration of CO_2 in the water tank increases with time. The relationship between the number of vibrations and the amplitude of vibration, the time of concentration change, the material arrival rate, the velocity change intensity, the integral characteristic distance, and the correlation is obtained. A Study of the Rapid Process of Surface Renewal and Absorption in Large-scale Vortices The concentration field in the liquid is visualized by the absorption mechanism. Determination of instantaneous CO_2 concentration distribution in vertical section of aqueous solution under different conditions The results show that the frequency of surface renewal, the frequency of frequency of frequency change, the frequency of frequency change, and the frequency of frequency change are consistent. Turbulent mass transport through free surfaces and large-scale vortices in turbulence

项目成果

長崎孝夫: "液表面での炭酸ガス吸収における乱流輸送過程の可視化" 第31回日本伝熱シンポジウム講演論文集. II. 478-480 (1994)

Takao Nagasaki：“液体表面吸收二氧化碳的湍流传输过程的可视化”第 31 届日本传热研讨会论文集 II（1994 年）。