平成28（2016）年度　一般研究２実施報告書

課題番号	28−共研−2068		分野分類			統計数理研究所内分野分類			j
						主要研究分野分類			5
研究課題名	回転円すいを用いた高粘度液体の微粒化と線条化
フリガナ 代表者氏名	アダチ タカヒロ 足立 高弘				ローマ字		Adachi Takahiro
所属機関	秋田大学
所属部局	大学院工学資源学研究科
職　　名	教授
配分経費	研究費	40千円		旅　費		83千円		研究参加者数		4　人

研究目的と成果（経過）の概要

本研究の申請者等は，頂角を下にした円すい体を水に浸し回転させることで，円すいの外表面を液が上昇し，液膜が形成される現象を見い出し研究を行ってきた．すなわち，回転する円すい体外表面には均質な薄い液膜流が形成され，液が安定的に揚水される．このとき円すい外表面の液膜には遠心力が加わるにも拘わらず液膜が飛散することはない．この薄い揚水液膜流は最終的には円すいの底部に固定した共に回転する円板に沿って微粒化して液滴となった後にミスト流として周囲に噴霧される．

噴霧される粒子の形態は，水の場合には液膜から微粒化し球形の液滴となるが，予備的な実験の結果，液体の粘性が水よりもわずかに大きな場合には線条の形態で周囲に放出される．すなわち，液は遠心力の円すい壁面方向分力によって揚水されるが，粘度が大きくなると曵糸性の影響が強くなり，遠心力がわずかに大きな位置から離散的に糸を引くように円すい壁面を上昇し線条の形態で周囲に放出されると考えられる．さらに粘度が大きくなりポリマーのような非ニュートン流体の場合については，その詳細は明らかではない．

このような回転円すいの外表面を薄い液膜流や線条流が上昇する現象はこれまでに報告例がなく，その詳細は明らかではない．そこで本研究では，どのような条件下で液膜流や線条流が形成されるのか，その臨界条件を明らかにすることが目的である．さらに，微粒化あるいは細線条化して液滴や線条塊となり周囲へ放出される流体塊の粒径や直径分布等について数値解析と実験計測を行い統計解析を行うことで，円すいの回転数と放出される流れの流量や線条塊の空隙密度等との相関関係を明らかにすることが目的である．
研究計画　（研究をどのように進めるのか具体的に記入） 回転円すいの外表面を作動媒体が揚水される際に，膜状流と線条流のどちらの流れ形態となるのか，その臨界条件について調べる．この形態の違いは，作動媒体の粘度に依存していると考えられるので，作動媒体の粘度を変更した実験を行う．高速度ビデオカメラを用いた可視化実験により円すい外表面や円板上の流れを可視化することで，粘度の違いによる流れのパターンの違いを明らかにする．作動媒体は，粘度が水程度の大きさの場合には，遠心力によって揚水されるが，粘度が大きくなるにつれて曵糸性の影響が強くなる．この場合には，円すいの表面形状(凹凸)や作動媒体の膜厚の不均一などにより，遠心力がわずかに大きく曵糸性のために糸を引き始める核となるポイントが存在すると考えられる．さらに粘度が大きくポリマーの場合には，ワイセンベルク効果が顕著になり，揚水のメカニズムは遠心力が支配的ではなくなる．このように，粘度の変化に対して少なくとも3段階の揚水メカニズムが予測される．それらのメカニズムが変化する臨界条件(主に粘度と回転速度)を明らかにする．

さらに，高速度ビデオカメラを用いた可視化実験と画像解析により，回転速度や流量および円すい外表面の撥水性・親水性の違いによる粒径や直径の分布等との相関特性を求める．放出される液の形状は，粘度が比較的小さい場合には球状の液滴となるが，粘度が大きくなるにつれて曵糸性の影響から楕円球さらには線条に変化していくと考えられる．高速度カメラで可視化した画像をパソコンで画像処理し統計解析を行うことにより，球状あるいは楕円球状の液滴の直径や線条塊の直径や長さ等の統計分布を求める．また，液滴や線条塊の空隙密度の分布についても調べる．

粒径分布や最大粒径などの噴霧特性は回転速度や供給する液の流量によって変化すると考えられる．また，円すい表面の性質(撥水性や親水性)によっても，必要な回転速度等が変化して生成されるミストの粒子径分布等に影響を与えることが予想される．そこで，円すいの外表面に撥水剤や親水剤を塗布することにより表面の性質を変更したり，回転速度や流量および円すいの半径や頂角の大きさを変更することで放出される流れの統計的特性への影響を明らかにし，それらの間の相関を求める．円すいの回転速度や流量はミスト生成に必要な動力に関係し，円すいの半径や頂角は装置のサイズに関係すると考えられる．また，円すいの表面の性質は液滴や線条塊の粒子径等に関係すると考えられる．したがって，それらの間の相関を明らかにすることは，コンパクトで消費動力が少なく手軽に放出流の特性を調節できる新しい微粒化・線条化の生成機構を設計する際に有益な情報となる．なお，実験成果を踏まえた上で，広範囲なパラメータ(粘度や回転速度)に対してCLSVOF(Coupled Levelset and Volume of Fluid)法を用いた数値解析も平行して行う．この計算を実験と平行して行うことで，現象をより詳しく明らかにする．

当該研究に関する情報源（論文発表、学会発表、プレプリント、ホームページ等）

論文：
1) 回転円すい体の外表面を上昇する液膜流れ，足立高弘他3名，日本機械学会論文集(Ｂ編) , 第76巻761号, pp. 161-163(2010)
2) Liquid Film Flow Rising along the Outer Surface of the Rotating Cone,Takahiro Adachi, Naoya Sato, Naoto Kobari and Toshihiro Hori：Heat Transfer-Asian Research, Vo. 39, pp. 492-496 (2010)
3) 足立高弘・新井晶大：回転円すいの外表面を上昇する液膜流れ[特集] 注目研究in年会2010、ながれ 29 (2010) 451 - 453
4) 足立高弘：回転円すいを用いて生成されるミストによる酸素濃度の溶解促進，日本機械学会論文集(B編)，第79巻800号, pp. 632-165(2013-4)
5) 足立高弘：回転円すいにより生成される循環ミスト流による溶存酸素の移動促進，化学工学論文集，第41巻，第2号，pp. 78-82, (2015)
6) Takahiro ADACHI:Oxygen Transfer and Power Consumption in an Aeration System Using Mist and Circulation Flow Generated by a Rotating Cone, Chemical Engineering Science, Vol. 126, pp. 625-8211;632, (2015)
7) Takahiro Adachi, Toshiki Kubo, Koji Higashiono, Mitsuharu Terashima: Correlation of oxygen mass transfer and power consumption in an aeration system by a rotating cone, International Journal of Heat and Mass Transfer 投稿中

国際会議報告：
1) Generation Mechanism of Rising Film Flow along the Rotating Conical Outer Surface and the Subsequent Atomization Characteristics，Matsuda K, Adachi T, Ryu Y, Okajima J, Akinaga T, Proc. 9th International Conference on Fluid Dynamics, pp.158-159, 2012
2) Water Purification Technique Using the Mist Flow Generated by a Rotating Cone, Takahiro Adachi：Proc. International Symposium on Green Manufacturing and Applications, Honolulu, Hawaii, USA, June 25-29, 2013
3) Generation Mechanism of Rising Film Flow along the Rotating Conical Outer Surface and the Subsequent Atomization Characteristics, Keisuke Matsuda, Takahiro Adachi, Junnosuke and Takeshi Akinaga: Proc. 10th International Conference on Fluid Dynamics, Sendai, Japan, November 2013
4) Float-type Water Purifier with Mist Generated by Rotating Cones, Takahiro Adachi, Proceedings ofWater Supply and Water Quality(Torun, Poland), pp.697-704(2014)
5) Generation Mechanism of Rising Film Flow along the Rotating Conical Outer Surface and the Subsequent Atomization Characteristics, Keisuke Matsuda, Takahiro Adachi, Junnosuke and Takeshi Akinaga: Proc. 11th International Conference on Fluid Dynamics, Sendai, Japan, November 2014
6) Oxygen Transfer and Power Consumption in an Aeration Using Mist and Circulation Flow Generated by a Rotating Cone, Toshiki Kubo and Takahiro Adachi：Proc. 13th International conference on liquid atomization, Tainan, Taiwan, USB，(2015)
7) Atomization and Filamentation of High-viscosity Liquid with a Rotating Cone, Yudai Kuriyagawa and Takahiro Adachi：Proc. 13th International conference on liquid atomization, Tainan, Taiwan, USB, (2015)
8) Heat and Fluid Flow Characteristics of Liquid Film Flow along Heat Transfer Surface with Microscopic Grooves, Takanori Hirasawa, Takahiro Adachi, Koji Higashiono, Junnosuke Okajima and Takeshi Akinaga: Proc. 12th International Conference on Fluid Dynamics, Sendai, Japan, USB, (2015)
9) Koji Higashiono, Takahiro Adachi and Toshiki Kubo: Correlation of Oxygen Transfer and Power Consumption in an Aeration System by a Rotating Cone, International Symposium on Green Manufacturing and Applications 2016, Bari, Indonesia, USB, (2016)
10) Koji Higashiono, Takahiro Adachi, Yuutarou Takahashi, Junnosuke Okajima and Takeshi Akinaga: Heat and Fluid Flow Characteristics of Liquid Film Flow along Heat Transfer Surface with Microscopic Grooves, Proc. 13th International Conference on Fluid Dynamics, Sendai, Japan, (2016)

知的財産：
1) 回転体を上昇する液膜流を用いた水質浄化システム、特許出願公開番号
特開 2012-161726 (審査請求出願中)
2) 繊維の製造装置およびこれを用いた不織布の製造方法
特許・特願2014-090840・

外部資金等：
1) JST 科学技術振興機構 研究成果最適展開支援事業(A-STEP) FS ステージ探索タイプ 平成22年 度：回転円すいの外表面を上昇する液膜流を用いた浮体ミスト式水質浄化装置の開発
2) JST 科学技術振興機構 研究成果最適展開支援事業(A-STEP) FS ステージ探索タイプ 平成23年度：自律的で自由自在に水面を移動できる新しい推進機構を備えた回転円すい浮体式水質 浄化装置の開発
3) 科学研究費・基盤研究(C) 平成23年〜25年：回転円すいの外表面を上昇する液膜流の生成メカニズムと微粒化
4) 御器谷科学技術財団 研究開発助成 入選内定 平成24年度：回転円すいに作用する水圧を用いた自律的で自由自在に水面を移動できる新しい推進機構の開発
5) JST 科学技術振興機構 研究成果最適展開支援事業(A-STEP) FS ステージ探索タイプ 平成24-25年度：植物工場における酸素溶解水の生成と養液調製に関する技術開発
6) JST 科学技術振興機構 研究成果最適展開支援事業(A-STEP) FS ステージ探索タイプ 平成25年度：回転円すいを用いた極細な抗菌性メルトブロー不織布の製布技術開発
7) 財団法人日本化学研究会化学研究連絡助成金 平成25年度：植物工場における回転円すいを用いた酸素溶解水の生成と養液調製
8)科学研究費・基盤研究(C) 平成28年〜30年：回転円すいを用いた遠心力場における高粘度液体の揚水遷移と液糸の生成メカニズム

研究会を開催した場合は、テーマ・日時・場所・参加者数を記入してください。

開催実績なし

研究参加者一覧
氏名	所属機関
遠藤 旬太	秋田大学
東大野 晃慈	秋田大学
宮里 義彦	統計数理研究所