相界面の変形を考慮にいれた分散性混相乱流のモデリング

本研究では、直接接触蒸発器、油・化学薬品の混合物の分離抽出、ボイラーなどに見られる不溶性液滴あるいは気泡(以下分散相と呼ぶ)を含む液体乱流(以下連続相乱流)を対象として、分散相と連続相との相界面の変形、および界面とその近傍の連続相の乱流構造との相互作用、を考慮できる新しいモデルの開発を行うことを目的とし、とくに界面の変形および界面近傍の速度変動の予測法の開発を試みた。手法の有効性を確認するために、実際現象を模擬するとみなせる、単一の液滴に接近する2次元孤立渦により誘起される流れに注目した。有限差分法により基礎方程式を差分化し、計算領域内の微小領域での流体の流入・流出量をもとに次の時間ステップにおける界面位置を定める方法を採用した。さらに各微小領域について、界面の勾配に関する場合分けを行なったうえで、速度勾配による応力、界面張力、圧力のつりあいを詳細に検討した。計算条件として変更した界面張力、孤立渦の循環を用いて無次元パラメータ「渦ウェーバー数」を新たに定義し、これを用いて計算結果に検討を加えた。その結果、渦ウェーバー数が低い場合には液滴近傍の液体流動が著しく変動すること、液滴の変形が認められること、を明らかにした。他者の気泡流の計測結果をもとに、気泡流における連続液相の乱れエネルギーへの1個の気泡を影響を見積ったところ、乱れエネルギーにより定義される「乱流ウェーバー数」が小さい場合に乱れが増進されることを得た。このことは、本研究の計算結果と定性的に一致する。本研究で開発した手法を用いて、連続相がランダムな速度場を有する場合にも同様の結果が得られることを得た。

本研究では、直接接触蒸発器、油・化学薬品の混合物の分離抽出、ボイラーなどに見られる不溶性液滴あるいは気泡(以下分散相と呼ぶ)を含む液体乱流(以下連続相乱流)を対象として、分散相と連続相との相界面の変形、および界面とその近傍の連続相の乱流構造との相互作用、を考慮できる新しいモデルの開発を行うことを目的とし、とくに界面の変形および界面近傍の速度変動の予測法の開発を試みた。手法の有効性を確認するために、実際現象を模擬するとみなせる、単一の液滴に接近する2次元孤立渦により誘起される流れに注目した。有限差分法により基礎方程式を差分化し、計算領域内の微小領域での流体の流入・流出量をもとに次の時間ステップにおける界面位置を定める方法を採用した。さらに各微小領域について、界面の勾配に関する場合分けを行なったうえで、速度勾配による応力、界面張力、圧力のつりあいを詳細に検討した。計算条件として変更した界面張力、孤立渦の循環を用いて無次元パラメータ「渦ウェーバー数」を新たに定義し、これを用いて計算結果に検討を加えた。その結果、渦ウェーバー数が低い場合には液滴近傍の液体流動が著しく変動すること、液滴の変形が認められること、を明らかにした。他者の気泡流の計測結果をもとに、気泡流における連続液相の乱れエネルギーへの1個の気泡を影響を見積ったところ、乱れエネルギーにより定義される「乱流ウェーバー数」が小さい場合に乱れが増進されることを得た。このことは、本研究の計算結果と定性的に一致する。本研究で開発した手法を用いて、連続相がランダムな速度場を有する場合にも同様の結果が得られることを得た。