流動場における溶存気体の発泡・放出及び溶解現象のモデリング

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本研究では、地球環境調和におけるCO_2溶解処理、省エネルギー対策におけるCAESシャンペン現象などの問題を背景にして、気体の液体中への溶解現象や液体中からの発泡(発出)現象の正確な物理的理解を得ることを目的に実験研究を行った。まず、二酸化炭素気泡の発泡過程と溶解過程の両過程が観察できる実験装置を製作した。CCD高速度ビデオカメラを用いて現象を観察し、実験装置を現象が良く観察できるように改良するとともに、実験手法についても検討し、計測可能な手法を確立した。この手法により、二酸化炭素気泡の溶解・消滅過程と気液界面のない液体中からの発出(発泡)・成長過程を確認した。溶解・消滅過程の観察では、可視化画像より、圧力上昇時の二酸化炭素気泡の体積変化は圧力に反比例して体積が減少すると仮定した計算値以上に大きく、溶解が発生していることが推定された。また、二酸化炭素に比べ溶解度が80分の1程度の窒素ガスを用いた比較実験の結果からも二酸化炭素気泡の溶解は確認された。さらに、二酸化炭素マイクロ気泡は加圧されるとその大きさが現有の装置では確認できない大きさにまで体積を減少させる、つまり、消失過程に近い現象も観察した。この後、急減圧を行うと、気泡の消滅が発生した領域(水中)で気泡の発出が観察され、局所二酸化炭素濃度が影響したものと推定される結果を得た。以上のように、気泡の体積変化が圧力変化に見合う以上の変化を観察できたことで、溶解、発出現象を確認した。