立方キャビティ流れのトーラス構造と層流混合

抄録

流体の混合は通常、乱流を用いることによって効率よく行うことができる。
しかし最近、医薬、微小機械等の分野で層流による混合が求められる場合が発生している。
層流によって効率的に混合する必要がある場合には、カオス的移流の利用が考えられる。
形状変化がどの程度不規則な移流を増加させるのか調べる目的で、立方キャビティ内の層流を取り上げて、駆動方向の変化による混合促進の効果を数値計算によって調べた。
非圧縮性流体の計算法には、標準的な圧力ポアソン方程式法による差分法のコードを用いた。
流れ場の支配パラメータとしてレイノルズ数Reと、駆動方向を表わす角度θを導入した。
計算の格子依存性は、格子点数百万点と一千万点の2種類の格子による結果を比較することによって検査し、本研究の結論には影響しないことを確認した。
キャビティ流れはトーラス構造をもつことが知られているので、トーラスの回転数が2以下に減少する条件を求めた。
また、他の流れにも適用可能であるような、混合効率を評価する簡便な指標を提案した。