Experimental and numerical investigations of liquid mercury droplet impacts

水銀液滴の衝突に関する実験的及び解析的評価

直江 崇   ; 二川 正敏  ; Kenny, R.*; 大槻 真人*

Naoe, Takashi; Futakawa, Masatoshi; Kenny, R.*; Otsuki, Masato*

高速液体水銀マイクロジェット(300m/s)の壁面衝突に伴うキャビテーション損傷の形成について評価するための基礎研究として、本研究では、直径2.5mmの水銀液滴が低速(5m/s)で固体壁面に衝突する挙動を詳細に観察すると共に、液滴の飛散挙動についてVOF(Volume of Fluid)法を用いた数値解析を実施し、両者の結果を比較した。数値解析では、表面張力を考慮すると共に、水銀-固体-気体系の動的接触角を実測した結果(103156)を基に速度の関数として入力した。実験では水銀が衝突後に円盤状に変形しながら拡散した後、表面張力により衝突点に集まった後、上方へ浮き上がる挙動が観測された。解析結果は、この実験結果とよく一致した。また、この解析では壁面に負荷される衝撃力の応答には、表面張力の影響はほとんど見られないことを示した。表面張力を考慮しても最大衝撃力は約10%増加する程度であった。

A broad investigation into the hydrodynamics of liquid mercury has been motivated of late by its use in spallation neutron sources. One area of particular concern relates to the erosion suffered by vessel walls from the cumulative effects of liquid mercury droplet impacts arising from the collapse of cavitation bubbles. The low speed ( m/s) range of such events forms the focus of this paper and to this end a series of experiments is conducted on spherical droplets of diameter 2.5 mm impacting upon a dry quartz surface. A reasonable simulation of such impacts is made possible by using the VOF solver in combination with an empirical expression for the dynamic contact angle. This latter represents a `best fit' to data obtained from high resolution imaging of the droplet profile for a range of contact line velocities. Experiment and simulation are subsequently compared throughout the stages of initial deposition, spread, recession with break-up and, finally, bounce.