Since the existence of many bubbles is frequently encountered in the flow of liquid in hydraulic machineries such as water turbines, pumps, etc., research on the behavior of multiple bubbles has been recently paid much attention to problems related closely with the cavitation phenomena, or cavitation damage. In this paper, I will explain briefly the studies of multiple bubbles in our laboratory at the Institute of Fluid Science, Tohoku University.

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In this investigation, an objective and quantitative method is developed for the identification and classification of flow regimes in vertical gas-liquid two-phase flow. It is clarified that the features of probability density function (PDF) and the parameters of the PDF expected according to the maximum entropy principle (MEP) can be used as objective flow regime indicators and quantitative flow regime discriminators, respectively. In this experiment, the void fraction fluctuations are measured by the constant current technique. The PDFs are classified into three major types and correspond to three dominant flow patterns: bubbly, intermittent and annular. That is, a uni-modal PDF with a low void fraction corresponds to a bubbly flow pattern; a bimodal PDF corresponds to an intermittent flow pattern; and a uni-modal PDF with a high void fraction corresponds to an annular flow pattern. Furthermore, the relationship between the statistical parameters of the void fraction fluctuations (the mean value, the standard deviation, and the coefficients of skewness and kurtosis) and the flow patterns is discussed. It is shown that classification of uni-modal and bimodal PDFs can be made according to the coefficients of skewness and kurtosis.

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The three-fluid model is one of the most advanced models for phenomenologically analyzing annular mist flow. However, a numerical solution based on the three-fluid model often suffers from unclarified numerical instability. The numerical stability was therefore analyzed in the present study using the minimum relaxation distance of the three-fluid model for the annular mist flow in a vertical heated channel. This analysis made it clear that the instability is apt to occur at the onset of the annular flow and in the vicinity of the dryout location. It was also clarified that the virtual mass force has little effect on the improvement of the numerical stability. Then, a partially implicit method for momentum transfer terms was applied to the numerical integration of the three fluid model. It was confirmed that the numerical stability is improved by this method without increasing the difficulty of the programming.

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In one proposal for an excellent, highly efficient collector, an injector is mounted at the collection mouth to fluidize the particle bed before particles are collected. In this paper, the inner diameter ratio of the injection mouth to the suction mouth is discussed, along with the ratio's effect on the concentration of particles and local efficiency at the collection section. Spherical glass beads are used as particles. This experiment clarifies that when the inner diameter ratio is too small, the velocity in the injection pipe is so high that the drop in pressure is very large whereas higher concentration is obtained. On the contrary, when the inner diameter ratio is too large, the flow area at the suction mouth becomes small and the beads are dispersed outside the collection region by the injection flow. As a result, an optimal value exists for the inner diameter ratio of a given inner diameter of the suction mouth and a given bead diameter. High local efficiency for the transportation of the beads is obtained at an inner diameter ratio equal to 0.28.

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前回はスラリーの流動を取り上げ、取り分け、スラリーの分類・流動様式関係の用語について述べた。今回は、流動の様相が変わる速度、すなわち遷移速度 (限界速度) について述べるとともに速度と命名されている用語の説明を試みる。なお、著者の独断が含まれているので、読者諸兄のご意見がいただければ幸いである。

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もう既に聞き飽きた感もあるが、計算機環境の発達によりさまざまな現象が数値シミュレーションにより取り扱われるようになった。混相流のような複雑な流れに対しても、流動を数値シミュレーションにより再現する試みが果敢になされている。最近では、ワークステーションの大幅な能力向上に代表される計算機のダウンサイジングにより、このような数値シミュレーションがより身近なものとなりつつあるのではないだろうか。
混相流は時間的および空間的にさまざまなスケールの現象を含んでいるが、計算機の演算能力と記憶容量の増大は、よりミクロな視点に基づくモデルに立脚した数値シミュレーションを可能にする。固気二相流の分野では現在、固体粒子群の運動を個々の粒子レベルでモデル化するラグランジュ型の数値計算が盛んに行われている。この場合に気体の流れの計算には一般的な流体の数値解法が適用できるので、混相流としての特殊性は気流中の粒子群の運動をいかに解くかということと、気流に対する粒子の作用にある。
本講座は数回にわたって連載を行うシリーズの中の第1回目であり、本シリーズでは固気二相流をラグランジュ型の数値シミュレーションで取り扱う際に問題となる粒子間衝突の有力な計算法として期待されるDSMC (Direct Simulation Monte-Carlo) 法と、その固気二相流への応用について述べる。DSMC法は希薄気体の流れの数値シミュレーション法としてBird [1] によって1976年に発表されたものであり、現在盛んに応用が行われている。DSMC法では、分子間の衝突判定に確率論的方法を用いることにより、実在する分子数に比べて少数の分子を追跡して、分子群の運動が求められる。この方法を粒子運動の計算に用いれば計算で扱う粒子数を軽減する他に衝突の判断も簡略化できるので、分散系粒子流動の数値シミュレーションを高濃度あるいは規模の大きな流れに拡張するために有望な方法である。さらに、DSMC法の考え方は固気二相流中の粒子運動のみならず、分散系混相流中の分散相の衝突的相互作用を考える場合にも参考になるものと考えられる。
まず本報では、どのような場合に粒子間衝突の影響が問題となるかを示し、具体的な計算結果によって粒子間衝突の影響を紹介する。その後、DSMC法を理解するために必要な分子気体力学の基礎概念の解説を行う。

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