複雑流体中を上昇する気泡に発現する気液界面のゆらぎと不連続・非線形運動の解明

阐明复杂流体中上升的气泡中气液界面的波动和不连续/非线性运动

基本信息

批准号：
22K03928
负责人：
太田光浩
金额：
$ 2.75万
依托单位：
The University of Tokushima
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2025-03-31
项目状态：
未结题

项目摘要

アルカリ溶解性会合高分子(HASE)水溶液を上昇する気泡では，HASE水溶液の粘弾性効果により気泡底部から様々な伸長形状が形成され，伸長形状部でマイクロスケールの自己組織構造が発現することを調べてきた．これらはアルカリ物質としてNaOHを用いてHASE水溶液を調整した時に検察されたが，炭酸ナトリウム(Na2CO3)を添加してHASE溶液を調整すると，HASE溶液中を上昇する気泡は，マイクロスケール構造を有しつつ，界面揺動が発生し，不規則な非線形上昇運動が発現することが観察された．本年度は，上昇気泡に発現する界面揺動現象・非線形上昇運動について詳細に調べた．pH=9に調整した10.0 および 3.2 Pa・s のゼロ剪断速度粘度をもったHASE水溶液中を上昇する気泡運動を広範囲の気泡径条件に対して調べた結果，両溶液とも定常状態であった気泡の界面が突然揺動する特徴的な現象が空間・時間的にランダムに発生することが観察された．揺動現象が発生すると気液界面上を揺動が伝播し，気泡の進行方向が変わることで非線形的な運動をし，連続して揺動が発生すると複雑に上昇軌跡が変化すること分かった．また，気泡頂部から揺動が発生した際は，下流方向に揺動が伝播することで上昇速度が大きくなることも分かった．これらの特徴的な運動が発現するのは気泡径がおよそ20 mm以上の条件であり，ゼロ剪断速度粘度が大きいほど界面の揺動が激しくなり，気泡の運動軌跡および上昇速度，気泡形状の変化がよりダイナミックになることも明らかになった．また，次年度からの研究計画である溶液をpH＝7と11に調整した場合についてテスト実験を行った結果，pHに依存した現象が観察された．この特徴的な現象は，Na2CO3を添加して調整したHASE溶液が持つ弾性特性の影響である可能性が大きいという重要な知見を得た．

在碱溶性缔合聚合物（HASE）水溶液中上升的气泡中，由于HASE水溶液的粘弹性效应，从气泡底部形成各种拉长形状，并且我们研究了出现微尺度自组织结构就在这里。当使用NaOH作为碱性物质制备HASE水溶液时检测到这些，但是当通过添加碳酸钠(Na 2 CO 3 )制备HASE溶液时，在HASE溶液中升起的气泡具有微尺度结构。发生界面波动并发生不规则的非线性向上运动。今年，我们详细研究了上升气泡中发生的界面振荡现象和非线性向上运动。在较宽的气泡直径条件下，研究零剪切速率粘度为 10.0 和 3.2 Pa·s、pH=9 的 HASE 水溶液中气泡的向上运动，结果发现，两种溶液中的气泡均处于稳定状态观察到界面在空间和时间上随机发生的特征现象。研究发现，当振荡现象发生时，振荡在气液界面上传播，气泡改变其行进方向，导致非线性运动，并且当振荡连续发生时，向上的轨迹会发生复杂的变化．研究还发现，当气泡顶部发生振荡时，振荡会向下游传播，从而增加上升速度。这些特征运动发生在气泡直径约20mm以上时，且零剪切速率粘度越大，界面振荡越剧烈，导致气泡的运动轨迹、上升速度和气泡运动轨迹发生变化。泡沫的形状也变得更加动态。此外，作为明年的研究计划，将溶液的pH值调整为7和11的测试实验结果，观察到了pH依赖性现象。我们得到的重要发现是，这种特征现象很可能是由于添加 Na2CO3 制备的 HASE 溶液的弹性所致。