液面上を浮遊する液滴に働く揚力発生メカニズムの解明

点击翻译按钮获取中文摘要

本研究の目的は，相対運動する液滴と固体壁（または液膜）の非接触現象のメカニズムを解明することである．特に，液滴に働く揚力の発生原理について，力の発生場所である液滴と固体壁間の厚さ数マイクロメートルの空気膜内の流れについて調べる．本年度の最大の成果は，以下に述べる２つである．第一に，独自の実験装置を構築し，液滴を移動面上に安定して浮遊させることに成功したことで，空気薄膜内に定常流れが仮定できる条件で，液滴に働く揚力・抗力計測ができたことである．中心軸を水平に取ったガラス円筒を一定速度で回転させ，その内壁上で液滴を浮遊させた．円筒内部で浮遊する液滴は，液滴の重力と液滴に働く抗力と揚力が釣り合う平行位置に移動し，長時間その場に滞在する．予備実験で行って来た回転円筒装置は装置全体の偏心などによるノイズが多かったが，本年度中に実験装置を新たに設計・制作したことで，偏心量が大幅に抑制（接触計測でプラスマイナス9マイクロメートル以下の偏心）された．このため，高精度な揚力・抗力計測が可能となった．第二に，液滴の変形を考慮に入れた潤滑理論に基づく非接触現象の2次元モデルを提案し，非接触現象に支配的な要因が，液滴底面のわずかな変形であることを示したことである（Lhuissier, Tagawaら，Journal of Fluid Mechanics, 2013）．空気薄膜に2次元潤滑理論を適用し，液滴サイズや壁面との相対速度などを，実験と同じ条件を与えた解析を行った．その結果，空気薄膜内の主流方向下流部分で，液滴のわずかな変形によって揚力が発生することを明らかにした．この2次元解析結果と実験における3次元計測結果とは定性的に一致していることを確認した．