微小重力環境における液柱マランゴニ対流の不安定性に関する研究

微重力环境下液柱马兰戈尼对流不稳定性研究

基本信息

批准号：
13J02728
负责人：
矢野大志
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2013
资助国家：
日本
起止时间：
2013-04-01 至 2015-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は高プラントル数液柱における温度差駆動マランゴニ対流の不安定性と流動構造について明らかにすることを目的とするものであり，本年度は以下の成果が得られた．(1)2008年～2013年に行われた宇宙実験（テーマ略称「MEIS」）で得られた実験データについて，3-D PTVを用いた解析を行い，マランゴニ対流が不安定化すると，渦構造がHydrothermal Wave（液柱表面に生じる局所低温領域）とともに液柱軸方向に伝播することを確認した．渦構造の伝播方向は，Pr=67の場合，ARが1.25以下では高温側から低温側，ARが1.50以上では低温側から高温側であることがわかった．また，Pr=207の場合，ARによらず伝播方向が高温側から低温側であることがわかった．ここで，Prは作動流体のプラントル数，ARは液柱のアスペクト比（液柱高さ/ディスク直径）である．(2)地上実験において，さまざまな液柱形状でマランゴニ対流の振動流遷移条件，振動モードを計測した．液柱形状がマランゴニ対流の不安定性に及ぼす影響を整理するため，（気液界面長さ/液柱ネック径）で定義されるSDRを提案した．SDRは地上実験のみならず，宇宙実験に対しても有効であり，これを用いることで液柱形状がマランゴニ対流の不安定性に与える影響がより詳細に明らかになった．(3)2014年～2015年に行われた宇宙実験（テーマ略称「Dynamic Surf 2」）において，微小重力環境における多くの重要な実験データが所得された．液柱マランゴニ対流に関する宇宙実験は，国際宇宙ステーション日本実験棟「きぼう」における初の科学実験として始まった大規模プロジェクトである．本研究は，そのデータ解析の多くを担うものであり，本研究で得られた成果は今後の液柱マランゴニ対流研究を進めるうえで非常に重要であるといえる．

本研究的目的是阐明高普朗特数液柱中温差驱动的马兰戈尼对流的不稳定性和流动结构，今年获得了以下结果。（1）我们使用3-D PTV对2008年至2013年进行的空间实验（主题缩写“MEIS”）获得的实验数据进行分析，发现当马兰戈尼对流变得不稳定时，涡旋结构被证实会随着热液传播沿液柱轴的波（液柱表面产生的局部低温区域）。研究发现，当Pr=67时，当AR为1.25以下时，涡结构的传播方向为从高温侧向低温侧；当AR为1.50以下时，涡结构的传播方向为从低温侧向高温侧。更多的。另外，在Pr=207的情况下，发现无论AR如何，传播方向都是从高温侧到低温侧。其中，Pr为工作流体的普朗特数，AR为液柱的长宽比（液柱高度/盘直径）。 (2)在地面实验中，测量了不同液柱形状的Marangoni对流的振荡流转变条件和振荡模式。为了阐明液柱形状对Marangoni对流不稳定性的影响，我们提出SDR定义为（气液界面长度/液柱颈直径）。 SDR不仅对地面实验有效，对空间实验也有效，通过使用它，更详细地阐明了液柱形状对马兰戈尼对流不稳定性的影响。（3）2014年至2015年进行的太空实验（主题简称“动感冲浪2”）获得了大量微重力环境下的重要实验数据。液柱马兰戈尼对流空间实验是一项大型项目，始于国际空间站日本实验舱“希望”号上的首次科学实验。这项研究承担了大部分数据分析工作，这项研究获得的结果可以说对于推进未来液柱马兰戈尼对流的研究极其重要。