非平衡蒸発と並進運動を伴う気泡核のキャビテーション初生機構の理論と実験による解明

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本研究の目的は，高速乱流の水中（最大流速50m/s）で気泡核が水とは異なる速度で並進運動をしながら気泡壁面で非平衡蒸発が発生している状況において，気泡核がキャビテーション初生に至る機構と条件を理論と実験の両面から解明することである．初年度は，まず，気泡が並進運動する場合の最も単純な流れ場の形態である，直円管内の軸上の水流に単一気泡核を流したときの気泡の運動の理論解析と数値解析を一次元で行うことから始めた．水流の圧力分布は直円管内の圧力損失としてダルシー・ワイスバッハの式で与えた．本解析では，気泡の並進運動は，気泡に働く力として水の大域的な圧力勾配による力，水の粘性による抵抗力，付加質量による抵抗力，抗力を考慮した気泡の並進運動方程式を解いて解析した．また，気泡の成長は，気泡壁での非平衡蒸発・凝縮，熱伝導，並進減圧を考慮したRayleigh-Plessetの式を解いて解析した．その結果，気泡半径は最初加速度的に膨張し，その後ほぼ一定の速度で膨張すること，また，気泡の並進速度は水の流速が一定であるにも関わらず水とは異なる速度で徐々に増加することがわかった．次に，テーパ円管内の管軸上を水蒸気のみを含む単一球形気泡が非平衡蒸発を伴いながら膨張，並進運動する場合の解析を気泡力学に基づいて行い，その解析結果を直円管内の解析結果と比較した．解析では，管内流れを定常な準一次元流れとした．解析の結果，直円管の場合もテーパ円管の場合も，ある時刻で突然気泡の膨張速度が大きくなり，その後ほぼ一定速度で膨張を続けること，また，突然膨張速度が大きくなる時刻はテーパ円管の場合の方が直円管の場合よりも早くなることがわかった．