噴射液の不思議を解く
梅村章・鈴木創介・大坂淳（名大）・新城淳史（ＪＡＸＡ）・
姫野武洋（東大）・菊池政雄・村上敬司・柴崎浩一（ＪＡＸＡ）・
市川智洋（ＪＳＦ）
ABSTRACT: We have revisited the conventional laboratory experiments to validate our new atomization concept derived from microgravity experiments. Our laboratory experiments disclosed the existence of two-valued breakup length on the contrary to the conventional understanding. The new atomization theory satisfactorily explains all breakup phenomena appearing in the water jet issued from a nozzle with various nozzle radius-to-length ratio, which was impossible in the conventional understanding. It is found that both gravitational acceleration and velocity profile relaxation play an important role to create an certain unstable wave responsible for each steady breakup
1. はじめに
噴 霧 は 高 速 噴 射 液 に 形 成 さ れ る 無 数 の 微 細な液糸が分断して作られる．ランダムに発生 し，速い速度で動いている微細な液糸を追跡し，
分 断 過 程 を 詳 細 に 観 察 す る こ と は 困 難 で あ る ． 従って，液糸の位置を固定し，且つ，半径を大 き く し て 観 察 し や す く し た 模 擬 液 糸 を 用 い て ， 液 糸 の 分 断 機 構 を 調 べ よ う と す る の は 自 然 な 考え方であり，従来より円形ノズルから低速噴 射された液体を模擬液糸として，その分断現象
を調べる研究が数多く行なわれてきている．し
図１ 従来の実験室実験
かし，そこで観察される液柱の分断特性は，液 糸 の 分 断 特 性 を 正 し く 表 わ し て い る の で あ ろ う か ？ 実 験 室 で 行 わ れ る 鉛 直 下 向 噴 射 液 実 験 の 結 果 か ら 乱 流 液 糸 の 分 断 機 構 を 引 き 出 す に は，この実験方法が生み出す重力の効果とノズ ルの効果が同定されていなければいけない．し か し , 従 来 の 研 究 に お い て , こ れ ら の 点 が 強 く意識されることはなかったように見える．そ れのみか，ノズルや重力の存在と実験で観察さ れ た 分 断 特 性 と の 関 係 は よ く わ か っ て い な い のが現状である．
例えば、蛇口から垂れる水が滑らかに長く伸 びた後、急に表面が凸凹し出して切れる様は馴 染み深い。しかし、 この現象を従来の考え（レ ーリーの理論）に基づいて合理的に説明するこ と は で き な い .図 １ の 写 真 と 黒 線 グ ラ フ は 従 来 の実験室実験の結果と解釈を示す。従来の理論 では、分断を引き起こす不安定波は、噴射液が 内 蔵 す る ラ ン ダ ム な 擾 乱 の 中 か ら 最 も 不 安 定 な波が選択的に発展すると考えられている。す なわち、不安定波の初期振幅の大きさは定まら ず、理論的に分断長さを予測することができな い。そこで、レーリーの式を用い、従来の考え に 従 っ て 、 測 定 し た 分 断 距 離 Ｌ
Ｂか ら 、 不 安 定 波の初期振幅を求めると、その大きさは噴射液 の分子のサイズより小さな値になる。これは信 じがたい事柄である。また、ランダムな擾乱か ら作られる不
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図２ 自己不安定化機構
安定波は、振幅がランダム変数であり、従って、
分 断 距 離 も ラ ン ダ ム に 変 化 し て し か る べ き で あるが、実際には、誰が実験を行っても同じ平 均分断距離が得られ、分断現象が決定論的な不 安 定 化 機 構 に よ っ て 起 き て い る こ と を 示 唆 し ている。さらに、図１に赤線で示した微小重力 実 験 の 分 断 距 離 が 噴 射 速 度 の 大 き な と こ ろ で
実験室実験と一致するのも奇妙である。地上の 重力加速度値１ｇは、物理法則を考えたときに
は偶然的な数値でしかないからである。
本 研 究 で は 、 微 小 重 力 実 験 か ら 導 か れ た 新 し い微粒化概念（図２：不安定波の起源ならびに 自己不安定化機構を明らかにする）の有効性を 実証する一例として、従来の実験室実験結果の
図３ 実験室実験結果
合理的な説明を試みた。
２． 実験室実験結果の解釈
当 研 究 室 で 実 施 し た 鉛 直 下 方 向 水 噴 射 実 験 結果を詳しく調べた結果，通説と異なった描像 が見えてきた．
図 ５ に 平 成 ２ ２ 年 度 に 実 施 し た 実 験 室 実 験 の 結 果 を 示 す ． 無 次 元 噴 射 速 度 We （ 液 体 ウ ェ ー バ ー 数 We # !*U a
2 / " ， 液 体 密 度 !＊） と ノズル半径 a
0で無次元化した定常分断長 L
Bの 関 係 が 示 し て あ る . 使 用 し た ノ ズ ル は ス テ ン レ ス 製 の 平 頭 ノ ズ ル で あ る . ノ ズ ル の 長 さ を 30mm に 固 定 し , 半 径 を 変 化 さ せ て い る . 同 じ 半 径 を 持 っ た オ リ フ ィ ス か ら の 水 の 噴 射 も 行 っ て い る . 注 意 し な け れ ば い け な い の は , 本 実 験 で は 各 実 験 ご と に 短 い 立 ち 上 が り 時 間 を 経て一定速度でピストンを押し、目標噴射速度 を 実 現 し て い る の で , 実 験 点 は ど れ も 互 い に 独 立 な 実 験 に な っ て い る 点 で あ る . こ れ に 対 し て 従 来 の 実 験 で は オ ー バ ー フ ロ ー タ ン ク か ら 管 を 通 し て 流 下 す る 水 流 量 を バ ル ブ で 調 節 し て 定 常 噴 射 速 度 を 定 め て お り , 低 速 か ら 高 速 , あ る い は , 高 速 か ら 低 速 に 噴 射 速 度 を 段 階 的 に 変 化 さ せ て 一 連 の 実 験 デ ー タ を 取 得 し ている. 比較のため、従来の実験室実験で得ら れている結果も実線で記入してある.
） と ノズル半径 a
0で無次元化した定常分断長 L
Bの 関 係 が 示 し て あ る . 使 用 し た ノ ズ ル は ス テ ン レ ス 製 の 平 頭 ノ ズ ル で あ る . ノ ズ ル の 長 さ を 30mm に 固 定 し , 半 径 を 変 化 さ せ て い る . 同 じ 半 径 を 持 っ た オ リ フ ィ ス か ら の 水 の 噴 射 も 行 っ て い る . 注 意 し な け れ ば い け な い の は , 本 実 験 で は 各 実 験 ご と に 短 い 立 ち 上 が り 時 間 を 経て一定速度でピストンを押し、目標噴射速度 を 実 現 し て い る の で , 実 験 点 は ど れ も 互 い に 独 立 な 実 験 に な っ て い る 点 で あ る . こ れ に 対 し て 従 来 の 実 験 で は オ ー バ ー フ ロ ー タ ン ク か ら 管 を 通 し て 流 下 す る 水 流 量 を バ ル ブ で 調 節 し て 定 常 噴 射 速 度 を 定 め て お り , 低 速 か ら 高 速 , あ る い は , 高 速 か ら 低 速 に 噴 射 速 度 を 段 階 的 に 変 化 さ せ て 一 連 の 実 験 デ ー タ を 取 得 し ている. 比較のため、従来の実験室実験で得ら れている結果も実線で記入してある.
重 力 の 効 果 は , 噴 射 速 度 が 小 さ い と き , 従 っ て , 高 速 噴 射 で は ノ ズ ル の 近 く で よ り 強 く 現 れ る . 噴 射 速 度 が 大 き く な る と 、 噴 射 液 が 持 つ 速 度 分 布 が 分 断 長 に 影 響 す る よ う に な る 。 ２ つ の 極 限 的 な 場 合 が 考 え ら れ る 。 噴 射 液 の 速 度 が 一 様 と み な し て よ い 場 合 と 放 物 型 速 度 分 布 に な っ て い る 場 合 で あ る 。 前 者 は ノ ズ ル の 長 さ を 零 に し た オ リ フ ィ ス ジ ェ ッ ト に お い て 近 似 的 に 実 現 し 、 長 い ノ ズ ル で は 後 者 に な り 、 噴 射 液 は 長 い 速 度 分 布 緩 和 域 を 持 つ 。 こ の ２ つ の ジ ェ ッ ト の 違いより、速度分布の効果がわかる。
図３に示すように、本実験によりノズルの近 くで分断が起きる場合（ＳＤＢ）とノズルから 遠 く 離 れ た 位 置 で 分 断 が 起 き る 場 合 （ Ｌ Ｄ Ｂ ） の２種類があることが明らかになった。ＬＤＢ は 長 い ノ ズ ル か ら 噴 射 さ れ た 噴 射 液 で 発 生 し 、 ＳＤＢはノズルが短いか、あるいはノズル流れ の 乱 流 化 に よ っ て 噴 射 液 が 一 様 化 し た 条 件 で 発生する。
２・１ 短距離分断
噴 射 液 の 加 速 に よ り ,表 面 張 力 波 が 伸 長 さ れ る の で , 一 様 流 で も 伝 播 性 の 波 要 素 か ら 不 安 定 波 が で き る よ う に な る .Ｓ Ｄ Ｂ は ノ ズ ル 出 口 で 不 安 定 波 が 作 ら れ る 場 合 に 起 き 、 新 し い 微 粒 化
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理 論 に 基 づ い て 、 重 力 の 作 用 下 の 一 様 流 ジ ェ ッ トの解析から求めた分断長の予測式
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