流体物理洗浄における付着粒子のはく離メカニズムに関する数値シミュレーション

流体物理清洗中粘附颗粒脱离机理的数值模拟

• 批准号: 17J02211
• 负责人: 近藤 智貴
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Keio University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2017
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2017-04-26 至 2019-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-17J02211/
• 关键词: 混相流; 数値流体力学; 気泡崩壊; 液滴衝突; 壁面せん断流; 物理洗浄; 粒子はく離; 流体物理洗浄; 高速液滴衝突; 粒子付着力; 直接数値解析; 粒子レイノルズ数; 滑り壁モデル

研究計画に従い，超音波洗浄技術においてキャビテーションが物理洗浄メカニズムへもたらす寄与を議論した．特に，壁近傍に初生した気泡が非球形崩壊する際のマイクロジェットおよび壁面せん断流の形成に着目した．本研究ではキャビテーション気泡群を微視的に観察する必要があるため，単一気泡ならびに2気泡の崩壊について数値シミュレーションを行った．物理モデル構築にあたり，対象は慣性および圧縮性が支配的なため，気液の流れ場を同時に解くことが重要である．さらに粘性の影響を正確に考慮することが本研究の遂行にあたっては不可欠である．よって圧縮性ナビエ・ストークス方程式の多相流モデルが支配方程式となる．解析領域は全て3次元にて行った．多相流モデルでは気泡のボイド率の移流を解くことで気液界面を捕獲するが，気泡崩壊過程では界面数値拡散が深刻となるため，体積弾性率に基づく補正項を導入した．数値モデルとしてハイブリッド型の衝撃波界面捕獲法を採用した．すなわち圧力・ボイド率の不連続的な変化が生じる領域でのみ5次精度WENO法を用い，変化が滑らかな領域では4次精度中心差分を行った．結果として，単一気泡崩壊について壁方向に向かうマイクロジェットの形成を数値的に確認した．それには強い壁面せん断応力の発達が付随することも確認した．この壁面せん断応力は気泡壁面間距離をパラメータとした際,距離の増加に伴って指数関数的に減衰した．一方，壁に対して水平に隣接する2気泡の崩壊では，マイクロジェットは他方の気泡に引き寄せられ，壁に対する直接衝突が妨げられた．そのため壁面せん断応力は単一気泡のケースと比較して半分以下に減衰した．実現象としてキャビテーションは無数の気泡群を伴うことから，気泡間相互干渉によって壁面せん断流の形成が阻害されるという知見はきわめて有意義である．

根据研究计划，我们讨论了超声波清洗技术中空化现象对物理清洗机理的贡献。特别是，我们重点关注当最初在壁附近形成的气泡塌陷成非球形时微射流和壁剪切流的形成。在本研究中，需要对空化气泡进行微观观察，因此我们对单个气泡和两个气泡的破裂进行了数值模拟。在构建物理模型时，由于惯性和压缩性占主导地位，因此同时求解气液流场非常重要。此外，在进行这项研究时，必须准确考虑粘度的影响。因此，具有可压缩纳维-斯托克斯方程的多相流模型成为控制方程。所有分析区域都是三维的。在多相流模型中，通过求解气泡空隙率的平流来捕获气液界面，但由于气泡破裂过程中界面数值扩散变得严重，因此引入了基于体积模量的修正项。采用混合冲击波界面捕获方法作为数值模型。也就是说，5阶WENO方法仅适用于压力和孔隙比发生不连续变化的区域，而4阶中心差分法适用于变化平滑的区域。结果，我们在数值上证实了在单个气泡破裂过程中朝向壁的微射流的形成。还证实这伴随着强壁面剪应力的发展。当使用气泡壁之间的距离作为参数时，该壁剪切应力随着距离的增加呈指数衰减。另一方面，当与壁水平相邻的两个气泡破裂时，微射流被另一个气泡吸引，从而避免直接与壁碰撞。因此，壁剪切应力衰减到单细胞情况的一半以下。作为一种真实的现象，空化现象伴随着无数的气泡群，因此了解气泡之间的相互干扰抑制壁面剪切流的形成是极其重要的。

项目成果

壁面近傍気泡の崩壊時に形成されるせん断流に関する数値解析

壁面附近气泡破裂时形成剪切流的数值分析

• 发表时间: 2018
• 作者: 近藤 智貴;安藤 景太
• 通讯作者: 安藤 景太

University of Michigan(米国)

密歇根大学（美国）

Numerical investigations of shear flow generated by collapsing bubbles near a rigid wall

刚性壁附近气泡破裂产生的剪切流的数值研究

• 发表时间: 2018
• 作者: Tomoki Kondo;Shahaboddin Alahyari Beig;Eric Jonhsen;Keita Ando
• 通讯作者: Keita Ando

Simulation of High-Speed Droplet Impact Against Dry Substrates with Partial Velocity Slip

具有部分速度滑移的高速液滴对干燥基材的冲击模拟

• 发表时间: 2017
• 作者: Tomoki Kondo;Shahaboddin Alahyari Beig;Eric Jonhsen;Keita Ando;Tomoki Kondo and Keita Ando
• 通讯作者: Tomoki Kondo and Keita Ando