液体噴流における内部攪乱と表面波動の相互干渉に関する研究

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液体噴流に見られる液柱の分裂現象は流体力学上の基礎的な問題として古くから興味がもたれ,多くの研究がなされてきた.また,実際の工業技術においても幅広い分野に応用されている.しかしながら,この液体の分裂過程にはさまざまな流体力学的因子が複雑に関与しており,この現象が完全に解明されるには至っていない.特に,噴流内部の内在的な攪乱因子と表面張力による非線形性の強い不安定要因との関係についてはほとんど研究されていないのが現状である.そこで本研究では同心の二重円管ノズルを用いて噴流内部にせん断層を作ることによって噴流内部の攪乱を制御し,それと噴流の分裂特性の関係を実験的に調べた.噴流の分裂特性を定量的に調べるために,分裂点近傍における噴流表面波動の周波数解析と自己相関関数解析を試みた.その結果,以下の知見を得た.(1)噴流分裂過程の規則性を噴流表面変動の自己相関関数を調べることによって評価できることを明らかにした.(2)単管ノズルの液体噴流では,規則性の高い分裂形態は滴下領域で見られ,層流噴流の液柱分裂では安定性理論によって予測されるような規則性の高い分裂形態が必ずしも実現されないことが示された.(3)二重円管ノズルを用いて噴流内部の速度分布を制御すると液柱の分裂長さや分裂形態を変えることができ,ある条件では極めて規則性の高い分裂形態を実現できることがわかった.(4)二重円管ノズル噴流に周波数解析の手法を適用した結果,液柱の分裂点近傍では表面波動に極めて高い周波数成分が現れ,多くの場合に分裂点上部の周波数成分が保存されないことが示された.