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Evaluation growing and collapsing behaviors of cavitation bubbles under flowing condition

流動下におけるキャビテーション気泡の成長・崩壊挙動の評価

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のステンレス鋼製の水銀ターゲット容器は、圧力波によって誘発されるキャビテーションによる損傷を受ける。キャビテーション損傷の低減化を期待して水銀の狭隘流路を有する二重壁構造の容器が採用された。狭隘流路によるキャビテーション損傷の低減効果は、実験的には確認されているもののそのメカニズムは明らかにされていない。本研究では狭隘流路におけるキャビテーション損傷低減効果を明らかにするための基礎研究として、流れ場における火花放電によるキャビテーション気泡の挙動を高速度ビデオカメラを用いて可視化した。さらに、キャビテーション気泡崩壊時の衝撃による壁面の振動を流速を変化させて測定した。流れがない場合は、気泡崩壊時のマイクロジェットは壁面に垂直に放出される、一方、流れ場ではその角度は斜めに変化する。その結果、壁面への衝撃力は流動によって低下することが分かった。

A mercury enclosure vessel made of stainless steel is used as a spallation target in the pulsed spallation neutron source at J-PARC. It is severely damaged by the cavitation induced with pressure waves in association with the pulsed proton beam injection. A double-walled structure with a narrow mercury channel was adopted in the front end of the target vessel to reduce the cavitation damage. It has been experimentally demonstrated that the cavitation damage could be mitigated in the narrow channel but its mechanism has been unclarified yet. In this study, we investigated the cavitation from growing to collapsing through visualizing the spark-induced cavitation bubbles under flow field using a high-speed video camera. Furthermore, we measured the wall vibration due to the cavitation bubble collapse with changing flow velocity parametrically. It was found that the microjet collided perpendicular to the wall in the stagnant flow condition while it collided with an inclined angle from the perpendicular direction, suggesting that the collision pressure on the wall was reduced by flowing.

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