マイクロバブル注入によるキャビテーション抑制の数値的検証

Numerical verification of cavitation suppression by gas microbubble injection

井田 真人; 直江 崇   ; 二川 正敏  

Ida, Masato; Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi

気泡注入がキャビテーション初生に与える効果を明らかにするため、キャビテーション気泡とガス気泡の相互作用について数値的に議論した。われわれは既報において、機械衝撃を受けた水銀中でキャビテーションが発生すること、そしてそれが核破砕中性子源に深刻な損傷を与えるだろうことを示した。本研究では、先在するガス気泡との相互作用までを考慮した複数気泡モデルにより、水銀への気泡注入がキャビテーション気泡の運動をどのように変えるかを議論した。その結果、水銀がキャビテーション気泡より十分に大きいガス気泡を含むときに、ガス気泡から放射される正の圧力波がキャビテーション気泡の急膨張を抑え込むことを見いだした。また、注入したガス気泡それ自身が損傷の原因になる可能性について議論し、ガス気泡の運動はキャビテーション気泡よりずっと穏やかであることを示した。

The interaction between cavitation and gas bubbles has been studied numerically to evaluate the effect of gas bubble injection on cavitation inception. Our previous studies demonstrated that cavitation occurs in liquid mercury when mechanical impacts are imposed, and it will cause a significant damage in spallation neutron sources. Here we studied cavitation bubble dynamics in liquid mercury using a multibubble model that takes into account the interaction of a cavitation bubble with preexisting gas bubbles, and clarified how bubble injection changes the dynamics of cavitation bubbles. The numerical results suggest that, if the mercury includes gas bubbles much larger than cavitation bubbles, the explosive expansion of the cavitation bubble is suppressed by the positive-pressure wave emitted by the gas bubbles. We have also discussed whether the injected bubbles themselves will cause erosion, and found that the dynamics of gas bubbles is much gentler than cavitation bubbles.