広域・高解像度三次元計測に基づく気泡流メゾスケールモデリング

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本年度は界面活性剤水溶液中を上昇する単一気泡の3次元運動について基礎的な知見を得ることを目的とし,活性剤の濃度・種類と気泡の大きさをパラメータとした実験を行い,気泡の軌跡・形状・周囲流動場の3次元計測に基づいた議論を行った.気泡の運動軌跡と形状をとらえるための独自の測定装置による3次元計測結果を得た.界面活性剤TritonX-100の低濃度溶液中において,らせん運動からジグザグ運動へ遷移する運動を観測した.この遷移運動はこれまで報告されてこなかった新しい現象であり,大きな成果である.さらに,気泡周囲流動場のデジタルホログラフィ計測を行った.以上の測定結果を踏まえて3次元運動メカニズムについて議論し,以下の知見を得た.本研究で初めて詳細に報告したらせんからジグザグへ遷移する気泡運動は,表面の瞬時すべり条件が運動モードを決定付けている.3次元運動しながら上昇する気泡の終端速度は1-Pentanol濃度に応じて,高濃度になるほど低下する.そして上昇速度の低下の影響により形状は球形化する.さらに気泡はスリップ条件が決定されるとある運動に落ち着き,後流構造が決まることを示した.またフリースリップ条件の気泡がノンスリップ条件に近づくにつれ,まず軌跡の振幅は大きくなり最大値をとり,その後小さくなっていく.気泡の水平方向速度と上昇速度の関係から,振幅が最大値をとる現象は,後流構造の非軸対称性による気泡の運動方向変化の影響が気泡にかかる抗力の増加を上回ることによって生じることを示した.本年度の研究成果によって,気泡流の能動制御の大きな可能性が示された工学的意義は大きい.ここで得られた知見は,気泡の3次元運動モデルを構築する際に,瞬時濃度分布を用いて気泡の運動を記述できる可能性を示唆しており,数値計算モデル構築の観点からもその意義は大きい.