3次元SPH法による回転円板端部から飛散する液体の数値シミュレーション

摘要

液体の微粒化技術は，燃料の噴射や塗料の吹き付け，薬剤の散布や表面処理，噴霧冷却など様々な場面で活用されている．微粒化の方法も用途や目的によって異なり，液体自身の圧力を利用したものから回転運動の遠心力や気流の運動エネルギーを利用したもの，あるいはまた静電気力や超音波を利用したものまで多種多様である．例えば，自動車の車体の塗装に広く用いられている回転霧化式の静電塗装機では，ベルカップの遠心力と周囲の高速気流によって塗料を微粒化し，静電気力を利用して車体への塗料の付着率を向上させている．しかし，数千rpmから数万rpmの回転数で高速回転する直径数十mmのベルカップから飛散する液膜の微粒化過程の全貌を実験によって捉えるのは難しく，最適な塗装条件の選択には塗料·塗装技術者の経験と勘に頼らざるを得ない側面が残る．液体の微粒化過程に関する研究は，理論による液膜の安定性解析にはじまり，実験による画像解析と光学計測を経て，近年では数値計算を主体とする研究も活発に行われている．例えば，Ogasawaraらは，ベルカップ端部からグリセリン·エタノール溶液の液膜が飛散して分裂する様子を撮影し，回転数や流量，ベルカップ内壁に設けた溝が液滴の形成に及ぼす影響について詳細に調べている．我々のグループでは，3次元非圧縮性SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）法を用いて回転円板周端からの液柱の伸張·分裂過程の計算を試み，一連の過程を捉えることに成功した．しかし，高回転数領域の薄い液膜を解像するには粒子数が圧倒的に不足しており，円板全体から飛散する液膜を扱うのは困難であり，計算領域を限定するのも簡単ではないことがわかった．そこで本研究では，周方向に周期境界条件を課すことで計算領域を円板周端部のごく近傍に限定し，粒子解像度をできる限り大きくとって円板周端から飛散する流体の3次元数値シミュレーションを試みた．