気泡の体積変化を利用したマイクロポンプの作動原理に関する熱流体力学的研究

利用气泡体积变化研究微型泵工作原理的热流体力学

• 批准号: 12750143
• 负责人: 渡部 正夫
• 金额: $ 1.47万
• 依托单位: Kyushu University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• 财政年份: 2000
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2000 至 2001
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-12750143/
• 关键词: Bubble; Pump; Bubble Cloud; Finite Element Method; Multipole Expansion; Surface Tension; Perturbation Method

気泡運動を利用したマイクロポンプの作動原理を理解するためには,気泡運動により誘起される周囲流体挙動を解析することが必要である.特に,今年度は気泡運動が比較的単純な場合についてのみ検討することにより,基礎的データを取得することを目的とした.そのため,モノポールとダイポールがそれぞれ支配的な流れ場について考察を行なった.気泡運動として径方向運動(モノポール)が支配的な流れ場に関しては,より複雑な流れ場を形成し得る気泡群の挙動により誘起される周囲流体,特に形成される圧力場に関して考察した.多数の気泡が液体中のある領域内に高い密度で存在する気泡群の場の圧力の変動に対する挙動を,多重極展開法・摂動展開法に基づく数学モデルを構築し数値計算を行なった.気泡群の線形圧力応答を解析することにより,少数の気泡が存在すれば,連続体モデルにより予測される音響特性を生じることが確認された.また,離散モデルを用いて,気泡群周囲圧力を急激に上昇させることにより気泡群内の気泡を収縮させる,キャビテーション気泡群崩壊の単純モデルを提案した.並進運動(ダイポール)が支配的な流れ場を解析するためには,最も単純な場合であると考えられる同一直線上を上昇する気泡による流れ場解析を有限要素法による数値シミュレーションにより行なった.DSD/ST(deforming-spatial-domain/space-time)有限要素法を用いて,直線上に配置された複数個の気泡が静止流体中を浮力により上昇する挙動に対して解析を行なった.表面張力が小さくなると気泡の変形が大きくなり,上昇速度は低下する.この変形は先行気泡の方が後続気泡に比較して大きいことが確認された.また,十分表面張力が小さい場合には先行気泡の後流が後続気泡を包み,二気泡間の圧力が低下し引力が働いていることが観察された.

为了了解使用气泡运动的微型泵的工作原理，有必要分析气泡运动引起的环境流体行为。特别是，今年，我们仅通过检查气泡运动相对简单的情况来获得基本数据。因此，单极和偶极子都考虑了主要的流场。关于径向运动（单极）作为气泡运动的主要流动场，我们讨论了由气泡基团的行为引起的环境流体，这些环境流体可以形成更复杂的流场，尤其是形成的压力场。我们基于多极扩展和扰动扩展方法构建了一个数学模型，以计算气泡基团在液体特定区域内以高密度存在许多气泡的行为。通过分析气泡基团的线性压力响应，可以证实，如果有一些气泡，则会产生连续模型预测的声学特性。使用离散模型，我们提出了一个简单的气泡群塌陷模型，该模型通过快速增加气泡基团周围的压力来缩小气泡基团内的气泡。为了通过翻译运动（偶极子）分析流场优势，我们使用有限元方法使用Colinear Rise Bubbles进行了数值模拟，这被认为是最简单的情况。使用有限元方法，我们分析了在固定流体中通过浮力上升的直线上排列的多个气泡的行为。随着表面张力的降低，气泡的变形增加，上升速度降低。已经证实，与随后的气泡相比，先前气泡的变形更大。此外，当表面张力足够小时，先前气泡的唤醒围绕随后的气泡缠绕，并且两个气泡之间的压力降低，导致吸引力的力量起作用。