JAXA Repository / AIREX 未来へ続く、宙(そら)への英知
48458000.pdf17.9 MB
title臨界点近傍における2酸化炭素流体中のピストン効果研究
Other TitleResearch on piston dynamics of CO2 by fluid near critical point
Author(jpn)三浦 裕一; 石川 正道; 竹之内 武義; 小林 礼人; 大西 充; 吉原 正一; 桜井 誠人; 本多 克也; 松本 昌昭; 河合 潤
Author(eng)Miura, Yuichi; Ishikawa, Masamichi; Takenouchi, Takeyoshi; Kobayashi, Hiroto; Onishi, Mitsuru; Yoshihara, Shoichi; Sakurai, Masato; Honda, Katsuya; Matsumoto, Masaaki; Kawai, Jun
Author Affiliation(jpn)宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 宇宙科学研究本部; 宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部; 宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部; 宇宙航空研究開発機構 総合技術研究本部; 三菱総合研究所; 三菱総合研究所; 三菱総合研究所
Author Affiliation(eng)Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space and Astronautical Science; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space Technology and Aeronautics; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space Technology and Aeronautics; Japan Aerospace Exploration Agency Institute of Space Technology and Aeronautics; Mitsubishi Research Institute Inc.; Mitsubishi Research Institute Inc.; Mitsubishi Research Institute Inc.
Issue Date2005-03-31
PublisherJapan Aerospace Exploration Agency (JAXA)
宇宙航空研究開発機構
Publication date2005-03-31
Languagejpn
AbstractIn order to conduct a quantitative measurement of the piston effect, the peculiar heat transportation phenomena in a critical fluid, an ultrasensitive density measurement system was developed using a very thin heater, a sensitive interferometer and a large-capacity high-speed data acquisition system. The piston wave was generated in pulses (5 - 200 microseconds) by heating the heater. It is succeeded to observe the detailed dynamics of the piston effects as: 1) emission of the piston wave from the heater boundary, 2) propagation in the bulk fluid, 3) reflection at the opposite boundary against the heater, and 4) thermal relaxation due to side walls. The velocity of piston wave showed the good agreement with the scale universality of sound wave in the critical fluid of CO2 above T - T(sub c) = 100 mK. However, the universality was broken below the temperature. The efficiency of transported energy by the piston wave was increased as decreasing temperature of T - T(sub c) and showed the maximum at T - T(sub c) = 100 mK. The value was estimated as 10 percent and comparable with the theoretical value 14 percent estimated by Onuki. The maximum of efficiency and the change of velocity near T - T(sub c) = 100 mK were discussed based on the theoretical estimation of the divergence of bulk viscosity near critical point. Numerical calculations were executed based on the Navier-Stokes equations for compressible fluids with the equations of states: van der Waals, Span-Wagner, and Patel-Teja. In these equations of states, the Span-Wagner was most reliable and used in the quantitative calculations. Others were used for analytical calculation and 2D simulation, respectively. The numerical simulations including 1D and 2D showed the fairly well correspondence with the experimental results. However, no results were obtained concerning the unexpected efficiency maximum near T - T(sub c) = 100 mK. The conclusion showed that the unexpected behavior of the piston effects was assigned to the new dynamics of critical fluids proposed by Onuki and it was the first time to observe the dynamics experimentally. The experiments show clear effects of gravity dependence of the new dynamics and microgravity experiment is very promising to facilitate the precise measurements near critical point. According to the discussion, the engineering model for sounding rocket is constructed. The interferometer using IR laser was newly developed and integrated into the thermostat with 2 adiabatic thermal shields and an outer jacket. The newly developed apparatus showed the comparable precision with the on-ground experimental facility. The flight plan for rocket experiment was documented according to the evaluation of the scientific significance of piston dynamics near critical point and the developed flight engineering.
1990年代に行われた宇宙実験によって、ピストン効果は、臨界点近傍において普遍的に成立する臨界減速(critical slowing down)に桁違いの速さで熱を伝える効果をもち、結果的に熱輸送は臨界加速(critical speeding up)するメカニズムとして作用することが明確となった。その速さは音速によって規定され、対流、拡散、輻射とは異なる、第4の熱輸送メカニズムとして認知されるに至った。宇宙実験と平行して発展したピストン効果の理論的検討は、ピストン波が加熱ヒーターの境界層で断熱膨張によって励起され、バルク流体中を高速に伝播することを明らかにした。このような研究の進展において、次の点がいまだ不十分であることが明らかとなった。(1)これまで行われたピストン波の観測は、高々ビデオ収録の時間分解能(1/30秒)の範囲であり、音速(〜100m/s)から見積もられる進行速度と比較すると、実際に観測された現象は試料セル内を数100往復した後の現象しか捉えていない。すなわち、ピストン波の素過程を直接見たとは言えず、平均化された間接的な効果しか見ていない。(2)実験的に実現された臨界温度への接近は、高々T-T(sub c)〜30mKであり十分臨界点に近いとは言えない。(3)小貫による精密な動的臨界現象理論によると、ピストン波に強い影響をもつ体積粘性係数(bulk viscosity)は、臨界温度T(sub c)に十分近づいた場合に強く発散する。しかしながら、これまでのピストン効果の実験研究では、このような効果に関する観測事実は全く報告されていない。すなわち、理論と実験的事実とが食い違っている、あるいは実験が理論に追いついていない。そこで、この研究の目的は、上記の研究の不足を克服することを目的として、1)音速で伝播するピストン波の素過程を直接観測する。2)臨界温度への接近は、T-T(sub c)〜1mKを実現する。3)ピストン波の直接観測により、ピストン波の熱輸送量をT-T(sub c)を関数として定量的に計測する。これによって、動的臨界現象理論が成り立つかどうかを検証する。このような高精度の実験を前提とした研究目的を実現するためには、微小重力環境を利用することは不可欠である。特に、理論と実験との食い違いを克服し、新規な動的臨界現象理論を実証するためには、重力効果による未知の効果を取り除き、不必要な可能性を排除することは極めて重要である。本研究では臨界流体を用いた欧州のフライト実験で観測されているピストン効果について、その素過程からの解明を目指した地上実験を実施してきた。ここで行った技術開発の結果、多段の熱シールドからなる温度制御・測定系を構築し、常温において±1mKの精度で温度制御することが可能となり、マイクロ秒レベルのパルス加熱によって、臨界点近傍で相関距離に近い厚みの熱拡散層を励起できるようになった。さらに、マイケルソン干渉計とフォトマルを組み合わせた光学測定系を構築し、相対密度感度7桁の精密測定によりマイクロ秒のオーダーでの高速現象の観測を可能にした。このような技術開発は、従来の実験技術を格段に上回るものであり、従来全く得ることができなかったピストン波の特性を定量的に測定することを可能とし、ピストン波の発信に伴うエネルギー輸送の効率計測、流体全体が音速で瞬時に均一に温度上昇する断熱昇温現象の観測、また、理論的にのみしか予想されていなかった臨界点に極めて近い領域における動的な輸送係数の発散を初めて観測するなど、極めて多くの知見を得ることに成功した。また、臨界点近傍のピストン効果ダイナミクスは重力に強く影響することも明らかにし、微小重力実験の有望性を実証した。このような技術開発の蓄積を踏まえ、ロケット実験を想定した実験装置の小型化およびリソースの軽減、臨界流体を扱う場合避けることのできない臨界タンパク光散乱によるSN比の低下を回避するための宇宙用赤外干渉計の新規開発、試料充填時における臨界密度の設定誤差低減に関する試料取り扱い技術の向上、実験計画の作成など、宇宙実験実施に関わる中核技術の開発と運用構想を作成し、その有望性を評価した。
DescriptionJAXA Research and Development Report
宇宙航空研究開発機構研究開発報告
Keywordsfluid flow; critical point; piston effect; carbon dioxide; thermodynamic property; compressibility; microgravity; equation of state; numerical simulation; flow visualization; 流体流; 臨界点; ピストン効果; 2酸化炭素; 熱力学的性質; 圧縮性; 微小重力; 状態方程式; 数値シミュレーション; 流れの可視化
Document TypeTechnical Report
JAXA Category研究開発報告
ISSN1349-1113
SHI-NOAA0048458000
Report NoJAXA-RR-04-048
URIhttps://repository.exst.jaxa.jp/dspace/handle/a-is/43640


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