マランゴニ対流におけるパターン形成機構の解明

马兰戈尼对流模式形成机制的阐明

基本信息

批准号：
18740244
负责人：
益子岳史
金额：
$ 2.18万
依托单位：
Shizuoka University (2007)Japan Aerospace Exploration Agency (2006)
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
财政年份：
2006
资助国家：
日本
起止时间：
2006 至 2007
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-18740244/
关键词：
マランゴニ対流パターン形成流体安定性流体不安定性

项目摘要

微小重力下の実験において観察された、円環状容器内のマランコニ対流中で複数の気泡が等間隔に整列する現象に着目し、そのメカニズムの解明を目指す研究を行った。18年度には、気泡整列の主因として、(a)気泡の表面流動、(b)気泡の排除体積効果、(c)対流自身の周期構造形成を予想し、それぞれの効果を確認するため、(a)対流中に作動流体と同密度に調合した液滴を投入する実験、(b)同様の密度調整をした固体球を投入する実験、(c)トレーサー粒子を用いた対流構造の可視化実験を行い、効果(c)を示唆する観察結果を得た。それを受け、19年度には、対流構造の可視化に的を絞って実験を行った。対流強度を表すマランゴニ数Maを制御変数として変化させる実験において、以下のような現象が観察された。すなわち、Maが低い場合にはトレーサー粒子が対流渦の中心付近に集まってリング状の凝集パターンを形成し、Maの増大とともにこのリングの幅および直径が増大するが、最終的にはリングに亀裂が入り崩壊する、というものである。これは、低Ma領域においては等方的な対流構造が形成され、Maとともに成長するが、やがて不安定化し新しい構造へと遷移するてとを意味している。逆にMaを減少させた時にはリング状パターンが再形成された後、縮小していくという逆プロセスが観察された。さらに、リング構造の崩壊と再形成に対応する臨界マランゴニ数を測定し、両者が一致しないこと(ヒステリシス依存性)を示唆する結果を得た。現在、より精密で定量的な測定を進めている。

我们关注在微重力实验中观察到的环形容器内马兰科尼对流中多个气泡等间隔排列的现象，并进行了旨在阐明其机理的研究。 2018财年，我们预测气泡排列的主要原因是（a）气泡表面流动，（b）气泡排除体积效应，以及（c）对流本身形成周期性结构，并且为了确认每种影响，（ ) 与对流期间的工作流体我们进行了一个实验，其中注入了相同密度的混合液滴，（b）一个实验，其中注入了相同密度调整的实心球，以及（c）一个实验，其中使用示踪粒子可视化对流结构，表明效果(c)。我们得到以下观察结果。针对这一点，我们在 2019 年进行了侧重于对流结构可视化的实验。在将表示对流强度的马兰戈尼数Ma作为控制变量进行变化的实验中，观察到以下现象。也就是说，当Ma较低时，示踪粒子聚集在对流涡中心附近，形成环形团聚图案，随着Ma的增加，这个环的宽度和直径增加，但最终环破裂并塌陷。。这意味着在低Ma区域形成了各向同性的对流结构，并随着Ma的增长而增长，但最终变得不稳定并转变为新的结构。另一方面，当Ma减小时，观察到相反的过程，其中环形图案重新形成然后收缩。此外，我们测量了与环结构的塌陷和重组相对应的临界马兰戈尼数，并获得了表明两者不匹配的结果（滞后依赖性）。我们目前正在致力于更精确和定量的测量。