液面上を浮遊する液滴に働く揚力発生メカニズムの解明

阐明作用于漂浮在液面上的液滴的升力产生机制

• 批准号: 25889017
• 负责人: 田川 義之
• 金额: $ 1.75万
• 依托单位: Tokyo University of Agriculture and Technology
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
• 财政年份: 2013
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2013-08-30 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-25889017/
• 关键词: 浮遊液滴; 潤滑理論; 回転円筒; 揚力計測; 空気薄膜

本研究の目的は，相対運動する液滴と固体壁（または液膜）の非接触現象のメカニズムを解明することである．特に，液滴に働く揚力の発生原理について，力の発生場所である液滴と固体壁間の厚さ数マイクロメートルの空気膜内の流れについて調べる．本年度の最大の成果は，以下に述べる２つである．第一に，独自の実験装置を構築し，液滴を移動面上に安定して浮遊させることに成功したことで，空気薄膜内に定常流れが仮定できる条件で，液滴に働く揚力・抗力計測ができたことである．中心軸を水平に取ったガラス円筒を一定速度で回転させ，その内壁上で液滴を浮遊させた．円筒内部で浮遊する液滴は，液滴の重力と液滴に働く抗力と揚力が釣り合う平行位置に移動し，長時間その場に滞在する．予備実験で行って来た回転円筒装置は装置全体の偏心などによるノイズが多かったが，本年度中に実験装置を新たに設計・制作したことで，偏心量が大幅に抑制（接触計測でプラスマイナス9マイクロメートル以下の偏心）された．このため，高精度な揚力・抗力計測が可能となった．第二に，液滴の変形を考慮に入れた潤滑理論に基づく非接触現象の2次元モデルを提案し，非接触現象に支配的な要因が，液滴底面のわずかな変形であることを示したことである（Lhuissier, Tagawaら，Journal of Fluid Mechanics, 2013）．空気薄膜に2次元潤滑理論を適用し，液滴サイズや壁面との相対速度などを，実験と同じ条件を与えた解析を行った．その結果，空気薄膜内の主流方向下流部分で，液滴のわずかな変形によって揚力が発生することを明らかにした．この2次元解析結果と実験における3次元計測結果とは定性的に一致していることを確認した．

本研究的目的是阐明液滴与固体壁（或液膜）相对运动时非接触现象的机制。特别是，我们研究了作用于流中液滴的升力产生原理，该升力作用在液滴和固体壁之间几微米厚的气膜内，力在固体壁上产生。下面介绍今年的两项最大成就。首先，通过构建独特的实验装置并成功地将液滴稳定地悬浮在移动表面上，我们能够在可以假设薄空气膜内稳定流动的条件下对液滴施加升力和阻力。能够测量它。中心轴水平的玻璃圆筒匀速旋转，液滴悬浮在其内壁上。漂浮在圆柱体内的液滴移动到平行位置，在该位置，液滴的重力、作用在液滴上的阻力和升力达到平衡，并在那里停留很长时间。前期实验中使用的旋转圆柱装置，由于整个装置的偏心，产生了很大的噪音，但通过今年设计和生产了新的实验装置，偏心量被显着抑制（接触测量显示差异为正或负）。偏心率小于 9 微米）。这使得高精度测量升力和阻力成为可能。其次，我们提出了基于润滑理论的非接触现象的二维模型，该模型考虑了液滴的变形，并表明非接触现象的主导因素是液滴底面的轻微变形。液滴（Lhuissier、Takawa 等人，《流体力学杂志》，2013 年）。我们将二维润滑理论应用于薄空气膜，并使用与实验相同的条件（例如液滴尺寸和与壁面的相对速度）进行分析。结果表明，升力是由空气薄膜下游部分液滴在主流方向上的轻微变形产生的。我们确认该 2D 分析结果与实验中的 3D 测量结果定性一致。

项目成果

Levitation of a drop over a moving surface

• DOI: 10.1017/jfm.2013.470
• 发表时间: 2013-10-01
• 期刊: JOURNAL OF FLUID MECHANICS
• 影响因子: 3.7
• 作者: Lhuissier, Henri;Tagawa, Yoshiyuki;Sun, Chao
• 通讯作者: Sun, Chao