蒸気爆発の可視化法と微粒子生成過程への応用

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蒸気爆発現象をより科学的にそのメカニズムを考察するには現象の可視化が重要である。本研究においては極短時間(1ナノ秒)閃光性能をもつ窒素レーザーとCCDカメラの組合せによる超高速・高解像性能を持つ瞬間撮影装置の試作を行い、これを用いての蒸気爆発過程の可視化法の確立を目指す。即ち、低温度沸点である液状ブタンによる減圧沸騰時の微粒子生成現象や、アルゴン・水素プラズマによる微粒子生成時の金属分子の蒸発過程の可視化を試みる。本年度の成果を以下に示す。1.極短時間発光窒素レーザー利用による超高速現象の可視化装置の試作 超高速現象の可視化のために申請の窒素レーザー(閃光時間:1ナノ秒)を励起光源とし、色素レーザーを駆動しCCDカメラの波長感度の撮影光源を構成した。イメージボードに同期回路を構成し疑似高速撮影装置を試作し、その性能を確認した。2.液状ブタンの減圧沸騰時の微粒化過程の可視化 蒸気爆発をシミュレートするために熱力学的に物性値が明確な液状ブタンを大気中に微小径単孔より噴出し、シュリーレン装置により上記システムとの併用により粒子画像と蒸気画像を同時取得し微粒子生成の過程を可視化した。さらに試作の上記システムの活用により高時間分解能での解析が可能となった。3.アルゴン・水素プラズマによる金属の蒸発とその微粒子生成過程の可視化 準大気圧雰囲気下におけるアルゴン・水素プラズマ放電により金属微粒子の生成が出来る。水素濃度により金属ガスの蒸発が影響を受けることを見いだした。この現象の定量的解析を目的に上記システムと特殊フィルターの併用により4,000Kを越える高温度場の可視化に成功し、高性能微粒子製法を見いだした。