流れ場におけるキャビテーション気泡崩壊挙動の実験的考察

Experimental evaluation of effect flowing condition on cavitation bubble growing and collapsing behaviors

川村 駿介; 直江 崇   ; 池田 翼; 田中 伸厚*; 二川 正敏  

Kawamura, Shunsuke; Naoe, Takashi; Ikeda, Tsubasa; Tanaka, Nobuatsu*; Futakawa, Masatoshi

J-PARCのパルス核破砕中性子源で使用されている水銀を内包するステンレス鋼製のターゲット容器は、陽子線入射時に発生する水銀中圧力波が引き起こすキャビテーションによる損傷を受ける。この損傷を低減するために、ターゲット容器の先端部には狭隘流路を有する二重壁構造のターゲット容器が施されている。狭隘流路構造においてよるキャビテーション損傷が低減される効果があることが実験的に確認されているものの、その損傷低減のメカニズムは明らかになっていない。本研究では、狭隘流路内でのキャビテーション気泡の挙動を把握するための基礎研究として、まず、流動条件下で、水中火花放電により発生させたキャビテーション気泡の成長・崩壊挙動を高速度ビデオカメラを用いて詳細に観察すると共に、気泡崩壊時の壁面の振動を測定した。その結果、流速の増加に伴い、気泡崩壊時に放出されるマイクロジェットの壁面に対する角度が下流側へ傾斜すると共に、壁面の振動が低減することを明らかにした。

A target vessel enclosing mercury made of stainless steel is used for the J-PARC spallation neutron source. It is severely damaged by the pressure-wave-induced cavitation with injecting intense proton beam. The front end of the target vessel has a double-walled structure with a narrow channel was adopted to the vessel for expecting to reduce cavitation damage. Effect of cavitation damage mitigation in narrow channel has been experimentally demonstrated. However, damage mitigation mechanism is not clarified yet. As a first step of studies to understand the mechanism of cavitation damage mitigation in narrow channel, growth and collapse behaviors of the spark-induced cavitation bubbles under flow condition were observed by using a high-speed video camera. Furthermore, the wall vibration by cavitation bubble collapse was measured by parametrically changing the flow velocity. The experimental results showed that the ejection angle of the microjet ejected by bubble collapsing leaned towards flowing direction as the flow velocity increases. The wall vibration was reduced with increasing flow velocity.