1.CSBG研究における二相流計測・解析技術の応用

気液二相流の研究では、気相の統計的および動的測定は、二相流のモデリング、流動抵抗、熱および質量移動の問題に大きな影響を与えます。気泡群内の気泡サイズ、形状、位置、動的速度などのパラメータを正確に測定することで、気泡の動的軌跡、ガスホールドアップ分布、スリップ速度比など、二相流の重要なパラメータの分析をサポートできます。これらのうち、気泡サイズのパラメータは気泡の流れにとって非常に重要です。気泡サイズは、マイクロバブルの乱流抵抗低減の重要なパラメータですが、異なるサイズの気泡を生成するのが難しいという制限もあります。したがって、マイクロバブルの乱流抵抗低減のサイズ効果については、さらなる研究が必要です。

連続スペクトルバブルジェネレータ（CSBG）は、上海交通大学のチームが提案した、連続的にサイズを制御できるバブルジェネレータです。サーボモーターと回転インペラを内蔵し、インペラの速度を制御することで機械的せん断強度を調整し、目的のバブルサイズを実現します。その最大の特徴は、同じ気液流条件（ガスと液体の流量一定）で設定サイズのバブルが得られることであり、気液二相流に関わるさまざまな研究分野に適用できます。

上海交通大学の研究チームは、連続スペクトル気泡発生器の原理を研究しながら可視化実験を行い、Revealer高速カメラと二相流測定・分析技術を組み合わせて発生器のマクロ特性を分析し、連続スペクトル気泡発生器（CSBG）の信頼性を検証した。 当該研究成果は、国際的に著名な学術誌「化学工学科学」に掲載された。引用形式：Chen, W., Huang, G., Hu, Y., Yin, J., & Wang, D. (2022). Experimental study on Continuous Spectrum Bubble Generator with a new overlapping bubble image processing technique. Chemical Engineering Science,117613.doi:https://doi.org/10.1016/j.ces.2022.117613》

2.実験プロセス

1/2. 実験方法

上海交通大学の研究チームは、サーボモーターを使用して機械的せん断を操作し、生成された気泡のサイズを制御する方法を開発し、気泡のサイズを連続的に制御しました。気泡のサイズを制御することは困難であるため、実験研究ではまず必要な気泡のサイズを推定し、次に気泡発生器のオリフィス直径を制御することで、希望のサイズに近い気泡を生成します。実際の気泡のサイズは、高速カメラ観察や二相流測定分析などの方法を使用して測定されます。

図1--実験回路の概略図

図 1 は、CSBG のマクロ特性に関する実験研究の概略図であり、気泡発生器、高速せん断機、可視化測定部、電磁流量計、ガス流量制御装置、ポンプ、いくつかのバルブ、パイプ、およびその他のコンポーネントで構成されています。CSBG のマクロ特性を検証するために、発生器のオリフィスの直径は 2 mm に設定されています。より大きなソース バブルまたはより小さなソース バブルが必要なシナリオでは、オリフィスのサイズを拡大または縮小することでこれを実現できます。高速せん断機の内部には切断インペラが取り付けられており、サーボ モーターによって駆動され、回転速度は ±3rpm まで正確に制御できます。実験中、インペラの回転速度を制御することで切断の強度を変更し、気泡のサイズを制御できます。実験回路は、内径 50 mm の円形チャネルです。高速イメージングに対する屈折率の影響を最小限に抑えるために、可視化測定部の外側に長方形の水槽を観察ボックスとして配置します。実験の気液二相媒体は、それぞれ水と空気です。液相流量は電磁流量計で計測し、気相はコンプレッサーで圧縮後ガスタンクに蓄えられ、ガス流量コントローラーで回路への流量を制御します。回路内の気液分離を確実に行うため、回路上部に大型水槽を設置し、重力を利用して気液分離を行い、実験入口部での先行気泡の影響を受けないようにしています。

CSBG の気泡サイズに影響を与える主な 3 つの要因は、ガス相流量、液相流量、およびモーター速度です。さまざまなガス相および液相の流れの条件下でモーター速度が気泡サイズに与える影響を調べるために、この実験では、表 1 に示すように、合計 23 グループと 460 の実験ポイントを持つ 2 つのインスタンスを設定しました。

表1—実験条件

2/2. 気泡可視化測定

この実験では、上海交通大学のチームと共同で、Revealer高速カメラを使用して、二相流測定および分析技術を開発しました。このセットアップにより、実験中に各CSBG実験グループ内の気泡グループの移動プロセスとサイズをさらに観察および分析するための気泡可視化測定プラットフォームが確立されました。可視化測定では、凹点検出と高速セグメントアーククラスタリングに基づいて、重なり合う気泡画像を処理します。これには、気泡画像の背景除去、2値化、境界抽出、および凹点セグメンテーション、アークセグメントクラスタリング、およびフィッティングが含まれ、気泡のサイズ情報を取得します。

画像2 - バブル画像処理技術フローチャート

3/2. CSBGに関する実験的研究

画像3 - 異なる回転速度での元のバブル画像

CSBG の予備実験特性を調べるために、同一の気液流動条件下で、異なる回転速度が気泡サイズに及ぼす影響を調べました。観察ウィンドウの典型的な可視化結果と、異なる回転速度での対応する気泡サイズ分布が表示されました。図 3 に示すように、CSBG が動作していない場合 (0rpm、図 3a)、噴霧器によって生成された気泡のサイズは比較的均一です。CSBG が動作し始め、回転速度が低い場合 (0-600 rpm、図 3b および c)、インペラの回転は気泡サイズに限定的な影響を及ぼします。気泡画像にはより多くの小さな気泡が散在していますが、大きな気泡が依然として優勢です。インペラ速度の増加 (600rpm 以上、図 3d ～ h) に伴い、インペラの回転が気泡破壊に重要な役割を果たし、気泡サイズが大幅に減少します。実験では、回転速度が 600rpm を超えると、回転速度の増加とともに気泡群が急速に減少することが気泡画像から視覚的に観察できます。前述のように、噴霧器によって生成されたソースバブルのバブルサイズ分布は均一分布に近いことが期待されるため、高速せん断装置の出口でのバブルサイズ分布を通じてCSBGの特性を研究することが容易になります。

画像 4 - 回転速度が異なると、気泡のサイズ分布も異なります。

図4aに示すように、分配器によって生成されたソースバブルは、サイズがほぼ同じで、主に0〜3mmの範囲内に集中しています。ただし、インペラが動作していない場合でも、バブルはせん断装置と、分配器から観測タンクまでの曲がったパイプを通過する必要があります。そのため、大きいバブルと小さいバブルの存在を説明できます。インペラ速度の増加に伴い、大きなバブルの破裂が激しくなり、バブル画像から徐々に消えていきます。バブルサイズ分布を対数正規分布モデルに適合させると、速度の増加に伴い、バブルサイズ分布と対数正規分布の適合度が高くなることがわかります。これは、回転速度が比較的高い場合、CSBGによって生成されたバブルグループのサイズ分布が対数正規分布をほぼ満たしていることを示しています。

さらに、バブルジェネレータのもう 1 つの重要なパラメータは、バブルサイズ分布です。ここでは、バブルサイズ分布の半値全幅 (FWHM) を使用して、バブルサイズ分布の集中度を示します。バブルサイズ分布に関するすべての実験結果を注意深く分析した結果、回転速度が 600rpm を超えると、すべてのバブルサイズ分布の FWHM が 1mm 以下になることがわかりました。これは、CSBG によって生成されたバブルが比較的狭い範囲内に集中していることを示しています。

図 5 - 回転速度による平均気泡サイズの変化曲線 (a) 未適合 (b) 適合 (R は回転速度を示します)

回転速度が気泡サイズに与える影響を定量的に研究するため、研究チームは回転速度の上昇に伴う平均気泡直径（AMDおよびSMD）の変化を分析した。図5に示すように、AMDとSMDはどちらも回転速度の上昇とともに大幅に減少する。回転速度が1500rpm未満の場合、回転速度の上昇とともに気泡のサイズは着実に減少する。インペラの高速回転は流体の回転にエネルギーを提供し、渦巻きの形成は小さな気泡の合体を悪化させる。この段階では、破裂と合体は気泡サイズの動的安定性を維持するために互いに競合する。したがって、回転速度が1500rpm未満の場合、インペラの回転速度は平均気泡サイズに重要な役割を果たします。図5（b）は、AMDの回転速度べき乗則が0.27であるのに対し、SMDの回転速度べき乗則は0.37であることを示しています。体積空隙率と液体の質量流量が変化すると、CSBG が気泡サイズに与える影響は大きく異なります。

チームは、ケーススタディを通じて、体積空隙率が気泡サイズに与える影響について詳細な議論を行いました。CSBG の動作範囲は、初期領域と安定領域の 2 つの領域に分かれています。0 ～ 500 rpm の範囲内で、すべての体積空隙率条件下での結果から、AMD と SMD は回転速度の増加と定量的な関係がほとんどなく、変動のみがあることがわかります。

画像6 - 異なるガス速度と回転速度で視覚化された元の泡画像の例

図 6 に示すように、元の気泡画像の高速取得の結果を組み合わせると、この現象は次のように説明できます。初期領域では、回転速度が低いため、安定した高速せん断場を形成できません。インペラの回転によって提供されるエネルギーは、気泡を安定して破裂させるのに不十分であり、平均気泡サイズの傾向が不安定になります。したがって、0～500rpm の領域は CSBG の初期段階と見なされます。インペラの回転速度が 500rpm を超えると、回転速度の増加に伴って平均気泡サイズが着実に減少します。この領域では、インペラの高速回転によって安定したせん断場が形成され、せん断場に入るソース気泡が破裂するのに十分なエネルギーが提供されます。気泡の破裂はインペラの回転によって制御され、その結果、気泡の平均サイズが着実に減少します。したがって、回転速度が 500rpm を超える領域は安定領域と見なされます。

実験結果

この実験では、CSBG プロトタイプ機を設計および製作し、さまざまな動作条件下での性能を調査しました。チームは、可視化実験と二相流測定システムを通じて CSBG がさまざまなサイズの連続気泡を生成する可能性を検証し、CSBG の実験的作業曲線を取得し、平均気泡サイズと 2 つの影響要因 (回転速度とガス相流量) の関係をフィッティングしました。

実験結果によると、CSBG はミリメートル範囲内で連続気泡を生成する能力があり、安定作業領域は 500 ～ 1500 rpm であり、SMD は安定作業領域内の回転速度の -0.37 乗に正比例します。CSBG の BMD はガス相の見かけの流速の増加とともに増加し、SMD は安定作業領域内のガス相の見かけの流速の 0.263 乗に正比例しますが、液相の見かけの速度との関係は重要ではありません。