液膜流


以下の文章は、 「現在の研究を簡単に紹介します」ということで 1997年の夏に書いたものです。 研究結果の詳細は、以下の論文にまとめてあります:

Physics of Fluids 11, 3247-3269 (1999)
"Surface Equation of Falling Film Flows with Moderate Reynolds Number and Large but Finite Weber Number"
Ooshida Takeshi

[なお、当然ながら、 以下の解説で用いている図は、 論文に用いた図とは別のもの(preliminary version)です。]

コメントなどは <ooshida@damp.tottori-u.ac.jp> あてにお願いします。

大信田 丈志


ぼくは今 液膜流というものを 研究しています。 これは下の図に示すような、薄い液体の流れです。 雨の日の坂道で、このような流れにしわができるのを見たことはありませんか? 実験室で平坦な板を斜面に用いて実験し、 このような「しわ」が成長し伝わっていくようすを調べることができます。
[図]

このような「しわ」がどうしてできるのか、どのように成長するのかということを 理論的に調べようという研究は 何十年も前から行なわれてきました。 特に、流れの厚さ(ミリメートル以下)と 長さ(数十センチメートル)が大きく違うことを利用して解析を進めようと 多くの人が努力してきたのですが、 なかなかうまくいかない点がありました。

ぼくが今やっているのは 『もしかしたら 今までの解析の限界を乗り越えることができるかもしれない手法』です。 ここでは くわしい説明は省略し、 今までに得られたシミュレーション結果の例を紹介したいと思います。 (ただし まだpreliminaryな段階です。)

[計算例1] まず、 壁を垂直(α=1.57)にし、物質としてエタノールを用いた例です。 上流での液膜の厚さを0.195ミリメートルとしています。
この結果は、Kapitza の実験 および Salamon et al. の 数値計算の結果と比較すべきものです。
[ Physics of Fluids 6 (1994) の p2213 の図と比べてみてください。 ]
[ Salamon のホームページも参照 ]

それから グリセリン水溶液を ゆるやかな斜面に流した場合の結果を示します。 上流での液膜の厚さは 1.12ミリメートルです。 (縦軸と横軸の目盛幅が全く違うことに注意。)
[計算例2]
この結果は、Liu et al. の 実験結果を再現することをめざしたものです。 [ Journal of Fluid Mechanics 250 (1993) の 92-93ページの図と比較してみてください。 ]

このような研究をしていて何の役に立つのか? と言われるかもしれませんが、 自然のなかで何かが発生するというのはとても大切なことであり、 そのしくみを知る手がかりをいくらかでもつかむことができれば と 思っています。


研究者の方へ

液膜流において一様状態が不安定化する機構は、 粘性による摩擦と 流体の慣性とを主に考えることによって説明され、 これは 最近 物性基礎論で話題になっている 管内粉体流の不安定性と(ほとんど)同じものであると私は考えています。 不安定化の機構については 「管のなかの交通渋滞」も 併せてお読みください。


作成日: 1997-07-01
最終更新日: 1999-10-22
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