界面追跡法を用いた乱流中における気泡群挙動の解析

自由界面において気泡が反発する現象については、興味深い現象としてすでに報告されているが、反発が起こるメカニズムに関しては、気泡や自由界面の変形による運動エネルギと表面エネルギの交換、気泡・界面間、気泡・壁面間の間隙が狭くなることにより生じる潤滑圧力、不純物の界面吸着に依存するクーロン力や表面張力の分布の変化などの化学的要因等いくつかの理由が挙げられており、未だ明確な説明が与えられていない。界面同士の相互作用を考察するには、表面エネルギの時々刻々の推移を明らかにすることがまず重要である。本研究ではこの現象に対し、気泡が静止流体中で重力により浮上し、自由界面や壁面に接触し、再び水中に沈みこむまでの気泡挙動の数値解析を行った。本研究では先行研究で示される実験の接触時間と整合するバネ・マスモデルが、慣性力と表面張力との釣り合いのみに基づくことを踏まえ、表面エネルギの捕捉に優れるフロント・トラッキング法を用いた。自由界面や剛体壁、フリースリップ壁面における気泡の反発過程をフロント・トラッキング法によりシミュレーションを行い、気泡の反発運動では運動エネルギと表面エネルギの交換が現象を決めており、バネ・マスモデル化が妥当であること、壁面の滑りの有無により反発係数が大きく異なり、ストークス近似に基づく散逸項を含むバネ・マスモデルにより反発係数を評価することは困難であること、それは剛体壁系では接触過程の前半(気泡が壁面に接近し速度がゼロになるまで)に大きな粘性散逸が生じることに起因すること、を明らかにした。

自由界面において気泡が反発する現象については、興味深い現象としてすでに報告されているが、反発が起こるメカニズムに関しては、気泡や自由界面の変形による運動エネルギと表面エネルギの交換、気泡・界面間、気泡・壁面間の間隙が狭くなることにより生じる潤滑圧力、不純物の界面吸着に依存するクーロン力や表面張力の分布の変化などの化学的要因等いくつかの理由が挙げられており、未だ明確な説明が与えられていない。界面同士の相互作用を考察するには、表面エネルギの時々刻々の推移を明らかにすることがまず重要である。本研究ではこの現象に対し、気泡が静止流体中で重力により浮上し、自由界面や壁面に接触し、再び水中に沈みこむまでの気泡挙動の数値解析を行った。本研究では先行研究で示される実験の接触時間と整合するバネ・マスモデルが、慣性力と表面張力との釣り合いのみに基づくことを踏まえ、表面エネルギの捕捉に優れるフロント・トラッキング法を用いた。自由界面や剛体壁、フリースリップ壁面における気泡の反発過程をフロント・トラッキング法によりシミュレーションを行い、気泡の反発運動では運動エネルギと表面エネルギの交換が現象を決めており、バネ・マスモデル化が妥当であること、壁面の滑りの有無により反発係数が大きく異なり、ストークス近似に基づく散逸項を含むバネ・マスモデルにより反発係数を評価することは困難であること、それは剛体壁系では接触過程の前半(気泡が壁面に接近し速度がゼロになるまで)に大きな粘性散逸が生じることに起因すること、を明らかにした。