気液界面上のマランゴニ対流で引き起こされるマイクロ混合流の実験と数値計算の比較

１〜１０００μｍ程度のマイクロ混合流界面では、粘性＞慣性、拡散＞移流、表面力＞体積力の特徴がみられる。本研究ではマイクロ混合機の性能を上げるため界面でのマランゴニ力を使って積極的に混合させることを試みる。

図１のような表面張力の異なる試験液１、２の混合部分に気体を近づける。ここで液相内に生じる表面張力の勾配から気液界面にマランゴニ力による不規則な流れ発生し、２液の混合が促進されることを実験および数値計算から検証する。

気泡と固体壁の狭窄部では２液の分子拡散から濃度差が発生しマランゴニ力による主流と逆向きの流れが周期的に発生する。図２に高速カメラで撮影したマランゴニ力による渦を示す。

図２　マランゴニ力による

図３に高速カメラとPIVによる実験結果とPHOENICSを用いた非定常計算のCFD
結果を比較する。6msec毎の速度ベクトルを表し、PHOENICSのコンター図は２液の濃度を示している。

図３　PIV解析とCFD解析の比較

(1) 実験結果とCFD結果は共に、主流と逆方向に働くマランゴニ力で生成された周期的なマイクロ混合流により、気泡表面における振動現象を明らかにした。
(2) 実験結果とCFD結果は良い一致を見た。
(3) CFDによる計算結果は、マランゴニ対流による流れの振動に対して最初の周期の状態をとらえている。十分時間が発達した場合には実験結果とほぼ同じであった。