マイクロバブルが有する高感度流れ制御機能の発現トリガー解明

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液体の壁面摩擦抵抗低減を目的とした"マイクロバブル抵抗低減技術"は僅かな気泡体積率で大きな抵抗低減効果をもたらすことから有用な省エネ技術として注目され, 大型船舶の燃費向上技術として既に商業利用されている. 昨年度に実施した閉じた系を対象した実験調査により, マイクロバブルが流動場の中で粗密分布を形成する際に流動場の速度変動構造が変形することが分かっている. 本年度は昨年度と対照的に工業利用時に問題となる流れの時空間発達に注目し, 発達する流動構造とマイクロバブルの運動との相互干渉について, 基礎的な体系を用いて実験的調査を行い以下の知見を得た. また, 本課題の総括として抵抗低減効果の発現を支配するパラメータを提案した.【自由浮上気泡が形成する浮力対流の流動構造】静止流体中にマイクロバブルを発生させ, それらが浮上する際に形成する気泡群の時空間発達構造について画像と超音波流速分布計を用いて調査した. 気泡の数密度分布と気泡群の速度分布の変動の両者には正の相関があり, 非周期的であるが規則的な変動パターンがあることが分かった.【マイクロバブルがもたらす水平混合層の流動構造変形】主流方向速度の差により生じるせん断層の不安定流れにおいて, 時空間発達流れにおけるマイクロバブルの粗密分布形成条件と流れ場の変形について調査した. 流れ場中における気泡の群構造形成における乱れ強度の重要性と, 気泡群が流動場を変形させる空間スケールにつての知見を得た.【現象を整理するパラメータ】気泡群のレイノルズ数およびフルード数の二つの無次元数を定義した. 気泡群が流動場に安定的に存在する条件, および, 気泡群の浮力が流れ場を変形させる条件において, マイクロバブル群として振る舞い, その浮力分布が抵抗低減効果をもたらすメカニクスと結論付けた.