Microbubble formation at a nozzle in liquid mercury

液体水銀中におけるノズルからの微小気泡生成

Bucheeri, A.; 粉川 広行  ; 直江 崇   ; 二川 正敏  ; 羽賀 勝洋  ; 前川 克廣*

Bucheeri, A.; Kogawa, Hiroyuki; Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Haga, Katsuhiro; Maekawa, Katsuhiro*

J-PARCに設置される水銀を核破砕標的に用いたパルス中性子源では、パルス陽子線入射によって発生する水銀中の圧力波がキャビテーションを誘発し、標的容器健全性を低下させるとして問題視されている。この圧力波を抑制するための方策の一つとして、水銀中へ微小気泡を注入することを検討している。圧力波の抑制効果は注入する気泡径,気泡率に依存する。水銀中における微小気泡生成技術を構築するために、水銀中における気泡生成挙動を把握することが重要である。本報告では、計算流体力学シミュレーションにより水銀中の生成気泡挙動を評価した。さらに、静止水銀中において微小ノズルからの気泡生成を高輝度X線により可視化し、シミュレーションとの比較を行った。その結果、静止下では水銀の高い表面張力により気泡はノズル外周に沿って成長し気泡径は大きくなること、流動下では表面張力の影響が小さくなることを明らかにした。

A mercury target for pulsed neutron sources is being developed in JAEA. Cavitation will be induced by pressure waves which are caused by high intense proton beam injection into the target. Microbubbles with 50 to 200 m in diameter injected in mercury are plausibly effective to mitigate cavitation. The mitigation is dependent on the conditions of bubble size and population. It is important to understand bubble formation behavior in mercury to develop microbubble injection method. CFD simulations were carried out to investigate the bubble formation behavior in mercury. Bubbles in stagnant mercury were visualized with X-ray to observe the formation behavior of bubbles at a micro-gas-nozzle and compared with the simulation results. It was found that high surface tension makes the bubble to grow around the outer surface of the nozzle in stagnant and makes it larger until its effect becomes small in the flow. The bubble diameter in stagnant increases with increasing the contact angle.