水銀キャビテーションにおける気泡挙動

Bubble behavior in mercury cavitation

直江 崇   ; 二川 正敏  ; 小山 智史*; 粉川 広行  

Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Koyama, Tomofumi*; Kogawa, Hiroyuki

核破砕中性子源水銀ターゲットに高強度のパルス陽子線が入射されると、熱衝撃により圧力波がターゲット容器内の水銀中に発生する。その伝播過程で容器壁と水銀の界面において負圧が生じ、キャビテーションが発生する。このキャビテーション気泡の崩壊により容器内壁は壊食損傷を受ける。本報では、液体水銀中の急激な圧力変動に伴う微小気泡の成長・崩壊挙動を把握し、損傷形成のメカニズムを明らかにすることを目的として、まずバブルダイナミックスに関する Rayleigh-Plessetの式を援用した解析を行い、水銀中の単一気泡の成長挙動と圧力変動との相関を評価した。さらに、電磁式衝撃圧負荷試験装置を用いた衝撃圧負荷試験における水銀中の気泡挙動を高速度ビデオカメラを用いて観察し、解析結果と比較した。その結果、気泡サイズ及び寿命は負荷圧力変動、特に負圧の飽和時間に依存すること,15kHz以上の高周波数成分はバブル崩壊により励起されることを示した。

A mercury target for spallation neutron source is subject to pressure waves caused by proton bombarding mercury. The pressure wave propagation induces the cavitation in mercury that imposes pitting damage on the target vessel. In this paper, single micro-bubble behavior in mercury was evaluated using numerical calculation on the basis of bubble dynamics given by Rayleigh-Plesset. Impact pressure loading tests using an electro-Magnetic IMpact Testing Machine (MIMTM) were performed to measure the impact pressure and acoustic vibration. Additionally, in order to visualize micro-bubble behavior in mercury, high-speed video camera observation was carried out. As the result, we confirmed that the maximum bubble radius and lifetime of micro-bubble are dependent on the imposed pressure and the pressure saturate time and that the acoustic vibration with high frequency components above 15 kHz is exited by the micro-bubble collapse.