気液混相流における相界面流動のPTV計測

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二相流において二種類の流体間の熱や物質移動量を正確に予測することは重要な課題である.とりわけ,二相間を隔てる界面はそれらの移動現象に関して直接的な役割を担う.本研究では二相を隔てる相界面の流動現象に着目し,液液二相流における球形および非球形水滴の界面流動計測技術を構築し,次いでその技術を気液二相流における単一球形および非球形気泡の界面流動計測に適用した成果について以下に述べる.(1)単一球形水滴および気泡の界面流動計測水滴および気泡界面の流動を直接計測できないので,界面ごく近傍の流動をPTV計測し,その速度分布から求まる速度勾配より界面上の速度を外挿して求める方法を用いた.その結果,後方にWakeが無い場合の界面流動はHadamardの理論値と同じ山形形状の速度分布であった.また,界面近傍の速度勾配は界面に作用するせん断応力に比例するが,その傾向もHadamardの理論値とよく一致した.後方にWakeがある場合には界面速度が0となる位置が見られ,その位置で速度勾配分布も理論値とは異なるピーク値をもつことがわかった.とくに界面のコンタミネーションレベルの異なる水滴についてはコンタミネーションレベルが高くなるにつれて界面速度が0となる位置が前方に移行するとともに,速度勾配のピーク値も前方に移行することがわかった.速度勾配にピーク値をもつ現象は球形固体球の実験およびマランゴニ効果を考慮したシミュレーションにおいも確認することができ,後方のWakeによるものであることがわかった.(2)非球形水滴および気泡の界面流動計測非球形形状(凹面をもつ場合は除く)の場合は上昇時に揺らぎや界面の変形が起こるので,界面位置を正確に決めることにより相界面流動計測することができた.とくに内部循環流の中心位置が一致する水滴の界面流動は形状の違いによる差異は見られなかった.