寒冷環境下における液滴の機能的凍結制御に関する研究

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1.液滴凍結実験装置の製作冷却面上および寒冷気流中の液滴凍結挙動を観察するために,二種類の実験装置を作製した.冷却壁上における凍結実験では,冷却面(銅板)を冷却液容器の上部に設置し,銅板を所定の温度に冷却できる構造とした.一方,寒冷気流中における凍結実験では,透明アクリル板にて作製した試験部を,低温風洞内に設置し,中央には,液滴を滴下するための銅板を固定した.銅板内部には,ステンレス箔ヒ-タを挿入し,銅板温度を制御した.2.研究結果および特記すべき点試験液体は,純水,塩水,およびエチレングリコール水溶液を用い,液滴の凍結挙動に及ぼす水溶液濃度,冷却面温度,気流温度,および気流速度の効果について検討した.さらに,液滴内にアルミ粉末トレーサーを入れて可視化を行ない,液滴内部流動の観察を行なった.その結果,以下のことが明らかになった.(1)純水滴の凍結では,最終凍結位置に突起が生じる特徴的な形状となる.一方,水溶液滴では,凍結界面から溶質が析出するため,表面張力の濃度依存性の差異により,凍結形状は大きく異なり,濃度の増加にしたがい表面張力が減少するエチレングリコール水溶液の場合には,液滴表面にくびれが生じる.(2)水溶液濃度および冷却壁温度の影響により,頂点の突起およびくびれの位置など液滴凍結形状が異なる.(3)寒冷気流中における液滴の最終凍結位置は,主に気流と壁面への凍結潜熱の移動割合により定まる.