ソノケミストリーにおける非球形気泡のマルチスケールフィジックスに関する研究

声化学中非球形气泡的多尺度物理研究

• 批准号: 13J02710
• 负责人: 神保 佳典
• 金额: $ 2.76万
• 依托单位: Hokkaido University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-04-01 至 2016-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-13J02710/
• 关键词: キャビテーション; 気泡; ソノケミストリー; 数値流体力学; 中空液滴; 非平衡相変化; 非凝縮性気体; Diffuse interface model; 液滴衝突; 気体論境界条件; 流体工学; 溶解・析出

１．申請研究におけるミクロ的な観点の数値計算として，気泡の非球形崩壊が，ラジカルなどの気泡内物質（化学反応に重要となる）の液体中への流出量に及ぼす影響を調べる目的で，気液界面における非平衡相変化とその界面を通過する非凝縮性気体の拡散とを同時に考慮した非球形気泡崩壊の直接数値計算を行った．前年度までに構築した分子気体力学に基づく気液界面境界条件を満たし得るGhost fluid法を，軸対称二次元計算に適用できるように拡張した．気泡が非球形に崩壊する際に，液体ジェットが気泡界面に形成され，それが気泡を貫通し，それにより渦流れ場が形成され，界面に微細な構造が形成される過程が計算されるとともに，その界面から次第に流出する気泡内物質（非凝縮性気体）が確認された．また，熱的な物質分解機構の解明に重要と考えられる気泡崩壊時に発生する高温とその周囲液体への伝導について論文にまとめた．２．ミクロ的な観点の数値計算手法の検証実験・計算として，低圧環境下での液滴の固体壁面への高速衝突現象を実験ならびに数値計算にて調べた．低圧環境下で液滴内部に発生した気泡が，液滴の固体壁面への衝突時に発生する圧力変動により非球形に潰される．数値計算により得られた液滴内部での気泡の非球形崩壊過程は実験結果とおおむね一致した．また，液滴が固体壁に高速衝突することで衝突部近傍に形成される気相流れ場を実験ならびに数値計算により詳細に調べた．３．申請研究におけるメゾ的な観点の数値計算手法（流体に加わる力学的作用等に起因して生成崩壊する気泡を扱う）の基本となる数値計算手法を構築した．二相間での相変化を考慮する際に重要となる二相間での熱交換を考慮した圧縮性二相流の偏微分方程式系を，Kapila’s five-equation modelを拡張することにより導出した．さらには，その方程式系を数値的に解く手法も構築した．

1. Of application research に お け る ミ ク ロ な 観 point の the numerical computing と し て, 気 bubble の non spherical collapse 壊 が, ラ ジ カ ル な ど の 気 material inside the bubble (chemical anti 応 に important と な る) の liquid へ の outflow に and ぼ す influence を adjustable べ で る purpose, 気 liquid interface に お け - る non-equilibrium phase change と そ の interface を through す る non condensation 気 body の company, scattered と を し に considered た non spherical 気 bubble collapse 壊 の line directly the numerical calculation を っ た. Before the annual ま で に build し た molecule 気 physical learning に づ く 気 を liquid interface boundary conditions against た し must る Ghost fluid method を, shaft says two dimensional calculation に で are seaborne き る よ う に company, zhang し た. 気 bubble が non spherical に collapse 壊 す る interstate に, liquid ジ ェ ッ ト が 気 bubble interface に さ れ, そ れ が 気 bubble し を transfixion, そ れ に よ り eddy れ field が form さ れ, interface に subtle な tectonic が さ れ る process が calculation さ れ る と と も に, そ の interface か ら initial に outflow す る 気 material inside the bubble (non condensation 気) が confirm さ れ た. ま た, hot な decomposition の interpret に important と exam え ら れ る 気 bubble collapse when 壊 に 発 raw す る high-temperature と そ の weeks 囲 liquid へ の 伝 guide に つ い て paper に ま と め た. 2 ミ ク ロ of な 観 point の the numerical computing technique の 検 card be 験, calculate と し て, low 圧 environment で の droplet の solid wall へ の high-speed を conflict phenomenon be 験 な ら び に the numerical computing に て adjustable べ た. Low 圧 environment で droplet internal に 発 raw し た 気 bubble が, droplet の solid wall へ の conflict に 発 raw す る pressure - move に よ り non spherical に collapse さ れ る. Numerical calculation によ によ obtained the 壊 process of non-spherical collapse of the で <s:1> gas bubble <e:1> inside the られた droplet, and the <s:1> experimental results とおおむね were consistent with た た た. ま た, droplet が solid wall に high-speed conflict す る こ と で conflict of nearly alongside に form さ れ る 気 phase flow を れ field be 験 な ら び に the numerical computing に よ り detailed に adjustable べ た. 3 Of application research に お け る メ ゾ な 観 point の the numerical computing technique (fluid に わ る mechanics function of に cause し て generate collapse 壊 す る 気 bubble を Cha う) basic と の な る the numerical computing technique を build し た. Two interphase で の phase - change を consider す る interstate に important と な る two alternate with で の heat を consider し た 圧 shrinkage two-phase flow の partial differential equations is を, Kapila 's five - equation model を company, zhang す る こ と に よ り export し た. Youdaoplaceholder0 さらに, そ, the equations are the に solution of を values, く, the method of さらに construction, た.

项目成果

気泡崩壊のシミュレーション(境界要素法とGhost Fluid法の適用)

气泡破裂模拟（边界元法和幽灵流体法的应用）

• 发表时间: 2014
• 期刊: ターボ機械
• 作者: Marina Komatsu;Aayano Kitamura;Maya Mizuno;Kaori Fukunaga;Miki Hirabayashi;Hiroaki Kojima;and Yoshimichi Ohki;高比良裕之，神保佳典，小笠原紀行
• 通讯作者: 高比良裕之，神保佳典，小笠原紀行

固体壁に高速衝突する液滴内部での気泡崩壊に関する数値解析

高速碰撞固体壁的液滴内部气泡破裂的数值分析

• 发表时间: 2014
• 作者: Yoshioka H.;Unami K.;and Fujihara M.;Yuto Ishibashi;神保佳典，加藤昌也，小林一道，渡部正夫，真田俊之
• 通讯作者: 神保佳典，加藤昌也，小林一道，渡部正夫，真田俊之

分子気体力学に基づく気液界面の境界条件を適用した相変化を伴う気泡運動を表す数理モデルの数値計算

基于分子气体动力学的气液界面边界条件相变气泡运动数学模型的数值计算

• 发表时间: 2015
• 作者: S. Yamada;K. Tanikawa;S. Oki;M. Kawano;M. Miyao and K. Hamaya;福富江利子;森川昌太郎，神保佳典，立藏祐樹，小林一道，渡部正夫
• 通讯作者: 森川昌太郎，神保佳典，立藏祐樹，小林一道，渡部正夫

National Taiwan University(Taiwan)

国立台湾大学（台湾）

Numerical simulation of bubble collapse and the transfer of vapor and noncondensable gas through the bubble interface using the ghost fluid method

• DOI: 10.1088/1742-6596/656/1/012021
• 发表时间: 2015-12
• 期刊: Journal of Physics: Conference Series
• 作者: Y. Jinbo;K. Kobayashi;M. Watanabe;H. Takahira