気泡流の微細構造,気泡力学,キャビステーション及び気泡流乱流に関する研究

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微細気泡群は体積当りの表面積が大きく浮力の影響が小さいため,反応ガスの溶解促進や浮遊物への吸着率の向上が期待されており,化学反応塔や水質浄化設備,また医療技術への応用が注目されている.これらの応用に際して用途に対する適切な微細気泡発生手法の確立や,実際のプラントに適用可能な物理モデルの構築が望まれているのが現状である.本年度は前年度に引き続きオゾン溶解システムを念頭に微細なオゾン気泡を水槽底部から発生させたときの気泡プルームに着目し,気泡プルームの流動形態の相違と界面における物質移動現象について三次元数値計算を行った.ここでは気泡レイノルズ数の低い球形気泡を取り上げ,個々の気泡の追跡が可能なEular-Lagrangeモデルを適用した.気泡プルームにおける物質移動現象を表現する際,個々の気泡の気泡半径,シャーウッド数,界面濃度について界面からのオゾンガスの時間・空間的な溶解過程の変化と気泡径の変化の相互関係を支配方程式に組み込むことにより,気泡流の非定常性を考慮に入れたより詳細な物理を捉えるモデルを提案した.また,流れ場の計算についてもLES(Large eddy simulation)を反映させた乱流場の計算を同時に行い,より実際の現象に即した物質移動現象の解明を目指した.この結果,各種の工業的な応用に対して,エネルギコストおよびオゾン消費量の両面から任意の装置に対するオゾン溶解の最適化を考慮する場合,タンクサイズ及び内部流動現象,さらに発生気泡径といった各システムに依存した最適値が存在することが確認でき,これらを考慮した上でのシステムの運用が重要となることを証明した.また本計算手法はこれを有効に示すことが可能な計算手法であることを確認した.