実験・理論の同時進行による液体薄膜の破裂の研究

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バブルが狭い空間に閉じ込められた時、破裂速度は閉じ込めによりどのように変わるかを明らかにすることを目的とした。レイノルズ数に対応する無次元量を導入し、慣性効果に比べて粘性効果が十分に大きい粘性型破裂と、逆に慣性効果が大きい場合の慣性型破裂の２つの領域にわけて破裂速度を導出した。まず、粘性型破裂では破裂は 1 mm/s 程度の非常に遅い定速で進む。この破裂は、破裂先端にできる液だまり（リム）が成長しないという特徴を示す。これは、破裂によってなくなった薄膜部分の液体は必ず薄膜に溜められていく３次元薄膜の破裂との非常に大きな違いであり、破裂と垂直方向へ液体が逃げるという空間的な非対称性によるものである。実験的に薄膜内の流れや破裂先端の形を調べ、それを基にエネルギーバランスと力のバランスという２つの観点から破裂速度に対する法則を導いた。この法則は、破裂速度は閉じ込めサイズに比例して大きくなることを示す。一方、慣性型破裂では、擬２次元薄膜の破裂はシャボン玉などで見られる３次元薄膜の破裂と同じ速度法則を持つことがわかった。これは円対称性を持つ３次元破裂から、円対称性が破れた擬２次元破裂へ変わっても速度法則は不変であることを示す。破裂のコントロールは工業や生物学、環境問題など様々な分野で必要とされており、液体薄膜の破裂速度に対してはこれまで薄膜の性質や薄膜の周りの環境を変えた数多くの研究がなされてきている。本研究は、空間的な閉じ込めによる破裂速度の制御の可能性を示したものであり、様々な分野への応用も期待される。また、粘性散逸が重要となる問題の１つとして、高アスペクト比断面の流路内を上昇するバブルの上昇速度を明らかにする研究も行った。長さスケールに対するいくつかの条件を課すことにより上昇速度に対する新しい法則を導き、実験的にも成り立つことを確認した。