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Nonlinear acoustic theory toward a transform of shock to soliton in liquids by microbubbles

非线性声学理论通过微泡将液体中的激波转换为孤子

基本信息

批准号：
22K03898
负责人：
金川哲也
金额：
$ 2.75万
依托单位：
University of Tsukuba
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

液体中において、圧力波が衝撃波に非線形発展すると、衝撃波面の熱的散逸効果によって、水管の壁面損傷等を生じ、重大事故に繋がりかねない。この損傷を抑制すべく、液体中に気泡を混入し、気泡振動に起因する圧力波の分散効果を利用したい。圧力波の非線形効果が、散逸効果とつりあうならば衝撃波が形成されるが、分散効果とつりあうならば(音響)ソリトンという安定した波が形成される。そこで、衝撃波をソリトンに変換することを目指す。衝撃波とソリトンは、その物理的性質が著しく異なり、離れたものとして認知されてきたことも多いが、本研究では、気泡流中において衝撃波とソリトンの双方を記述可能な数理モデル「弱非線形方程式（非線形・散逸・分散の各効果を表現する方程式。KdV-Burgers式などが著名）」に着眼する。本研究は、上記損傷抑制の構想を達成するための基礎研究を、理論と数値計算の両面から行う。本年度は下記成果が得られ、計7編の査読付雑誌論文が掲載・採択された：(1)実現象に即した気泡流のモデリングにおいて重要な要素の一つである初期の多分散性（気泡径の非一様性）に着目した。多分散性を有する気泡流中圧力波を記述する弱非線形方程式の導出と数値的検証を行った（Phys. Fluids とInt. J. Multiph. Flowに各1編掲載）。(2)昨今重要度が高まっている粘弾性流体のモデリングを見据え、液相の弾性に着目した弱非線形方程式を構築した（Phys. Fluidsに掲載）。(3)弱非線形方程式は気泡流の基礎方程式系から導かれるため、基礎方程式系も成否の鍵を握る。研究協力者（2023年度研究分担者）の鮎貝（JSPS特別研究員DC1）を中心に、基礎方程式系の新規構築および安定性解析を行い、精度向上に資する成果を得た（Int. J. Multiph. Flowに掲載）。

Liquid medium temperature, non-linear development of pressure wave and shock wave, heat dissipation effect of shock wave surface, wall damage of water pipe, etc., serious accident. This damage is suppressed, gas bubbles are mixed into the liquid, and the dispersion effect of pressure waves caused by gas bubble vibration is utilized. Non-linear effect of pressure wave, dispersion effect, shock wave formation, dispersion effect, sound wave formation. The shock wave is not visible. The physical properties of shock wave dispersion and dispersion are different. In this study, the physical properties of shock wave dispersion and dispersion in bubble flow are described mathematically. KdV-Burgers style is famous." This study is aimed at the realization of the damage inhibition hypothesis mentioned above, and the basic research, theory and numerical calculation are carried out. This year, the following results were recorded: (1) the phenomenon of bubble flow, the important factors of bubble flow, and the initial polydispersity (non-uniformity of bubble diameter). The pressure wave in the bubble flow is described by the weak nonlinear equation and the derived numerical value is proved (Phys. Fluids and Int. J. Multiph. Each of these is listed in a separate section.) (2)In the past, the importance of viscous fluids was very high, and weak nonlinear equations were constructed (Phys. Fluids). (3)Weak non-linear equations for bubble flow are derived from the fundamental equations, and the fundamental equations are derived from the keys. JSPS Special Researcher DC1, Research Coordinator (Research Contributor 2023), has made new achievements in the construction of the center, basic equation system and stability analysis (Int. J. Multiph. Flow is revealed).