Experimental study of liquid spreading and atomization due to jet impingement in liquid-liquid systems

液液系の衝突噴流における液の拡がり及び微粒化に関する実験的研究

山村 聡太*; 藤原 広太*; 本田 恒太*; 吉田 啓之  ; 堀口 直樹   ; 金子 暁子*; 阿部 豊*

Yamamura, Sota*; Fujiwara, Kota*; Honda, Kota*; Yoshida, Hiroyuki; Horiguchi, Naoki; Kaneko, Akiko*; Abe, Yutaka*

液-液系の衝突噴流における液体の広がりと微粒化は、浅い水槽への高温溶融物質の冷却挙動を理解する上で非常に重要であると考えられている。この現象は、液体噴流が非混和性液体で満たされたプールに入る時に発生し、噴流は床面に衝突した後、薄い液膜を形成しながら放射状に広がり、液滴が微粒化する。本論文では、3次元レーザー誘起蛍光法(3D-LIF)計測と3次元再構成により、ジェットが拡がる非定常3次元挙動を定量化した結果を説明する。高流速条件下では、液膜の広がりとともに跳水および微粒化現象が発生した。この液膜の広がりを評価するために、拡がりの代表値として跳水半径位置を求めて既存の気液系の理論との比較を行った結果、液液系は気液系よりも液膜の拡がりが抑制されることがわかった。さらに、液膜の跳水メカニズムにおいて重要な因子とされる液膜中の速度分布を粒子追跡速度計測法(PTV)により計測することに成功し、液膜中の速度境界層の存在を確認した。これらの結果から、液-液系では、界面でのせん断応力により流速が低下し、速度境界層の発達が抑制されることが明らかとなった。また、微粒化挙動を評価するため、取得した噴流の三次元形状データから、微粒化した液滴の数と直径分布を測定した。その結果、液滴の数は流速が大きくなるにつれて増加した。これらの結果から、我々は、微粒化挙動が液膜の拡がりに影響すると結論付けた。

Liquid spreading and atomization due to jet impingement in liquid-liquid systems are considered to be crucial for understanding the cooling behavior of high-temperature molten material in a shallow water pool. This phenomenon takes place when a liquid jet enters a pool filled with other immiscible liquid. The jet spreads radially after impinging on the floor while forming a thin liquid film and atomizing droplets. In this paper, we explain the result to quantify the unsteady three-dimensional behavior of the spreading jet by the employment of 3D-LIF measurements and 3-dimensional reconstruction. Under high flow velocity conditions, the phenomena of hydraulic jump and atomization of the liquid film occurred along with the spreading. To evaluate the spreading behavior, a comparison of the jump radius position of the liquid-liquid system as the representative value was made with the one calculated by the existing theory of a gas-liquid system. As the result, the spreading of the liquid film in the liquid-liquid system was suppressed compared with that in the gas-liquid system. Furthermore, the PTV method was successfully used to measure the velocity boundary layer and velocity profile in the liquid film, which are important factors that affect the spreading mechanism of the liquid film. These results revealed that in liquid-liquid systems, shear stress at the liquid-liquid interface causes a decrease in the flow velocity and suppressed the development of the velocity boundary layer. Also, to evaluate the atomization behavior, the number and diameter distribution of the droplets were measured from the acquired 3-dimensional shape data of the jet. As the result, the number of droplets increased with the flow velocity. Based on these results, we concluded that the spreading of the liquid film is affected by such atomization behavior.