気泡流の多重スケールモデリングと数値解析

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本年度は大きく2つの結果を得た.1つは,静止液体中を上昇する相互干渉を伴う2気泡の挙動,もう1つは,2気泡が接触する際の合体条件である.相互干渉を伴った2気泡の挙動について,鉛直線上を低レイノルズ数で上昇する場合の2気泡は衝突するが,中間レイノルズ数では平衡距離が存在することを明らかにした.さらに高レイノルズ数では,従来の安定な平衡距離に達するとの予測とは異なり,後方気泡は大きな形状変化と共に鉛直軸から逸脱することも明らかにした.また安定化有限要素法を用いた数値解析より,気泡が変形した場合,距離は小さくなるものの気泡問の平衡距離が存在することを示した.さらに高レイノルズ数においては,実験と同様の不安定挙動が現れることを示した.一方,水平に並んで上昇する場合には,低レイノルズ数では反発力が,高レイノルズ数では接近力が働くことを実験的に示し,さらに高レイノルズ数で反発する場合には,気泡挙動が壁面で反発する場合と大きく異なり,対称で大きな速度低下が無く反発する場合や,少しの接触点の違いにより反発挙動が大きく変わることを明らかにした.また高レイノルズ数で横に並んで上昇する2気泡は接近するが,その場合における合体と反発の境界についても検討した.従来無視されるとしてきた液体動粘度の影響があること,平均接近速度で境界が現れることを明らかにした.また従来の研究で合体と反発の境界を示すパラメータとされていた,接触直前の接近速度では,合体と反発の境界が一意に決定できないことを示し,気泡上昇速度を代表速度とするウェーバー数を用いて合体と反発の境界の整理法を提案すると共に,本手法を用いれば,合体と反発の境界のオーダーが一致することを示した.