小玉哲也◆,永易伸生J M.高山和事●

マイ クロバルー ンの最適圧壊条件に関す る一考察

小玉哲也◆,永易伸生J M.高山和事●

17イ タt'J:ルー ンの政道正敏条件を明 らかにするために,ゼラチ t/に付着 した2つの気泡 と 水中新世波 との干渉を光学可視化 した｡水中衝撃波はアジ化生べ レ,

日0

YAG

1 4 . 7 5 ±0 . 0 5 MPa

朋

I. 推 甘

水中衝撃波を利用 した癌治療法lJ‑2)や結石破砕術3) 61あ るいは水力収械{･の材料填食7)‑川 にはキ ャビ テーシュン気泡の助的車軸が関与す る｡気泡朋勤 まそ の内部あるいは故面近掛 こ高温 ･高圧噂を凍起

し1 2 J .

また,気泡変形に ともな う洗体場の非対称性のために, 気泡内紛 こ液体マイ クT2ジJLツ トを生成す る｡ この ジ

ェッ トは気泡内部を耳適 し気泡政を突 き抜け周囲姓体 に教

育MPa

7

･ 9

部

乱

L t

1 9 9 5

7

2 5

.東北大学死体科学研究所附馬術世故工学研究It=ソクー

〒 9

‑7 7 宮城 爪仙台市守糞区片平 2‑I ll TEL0 2 2 ‑ 2 1 7 ‑ 5 2 8 5

F

X0 2 2 ‑ 2 2 7 ‑ 7 3 9 0

川中固化薬株式会社

〒 7 3 7 ‑2 1 広 也爪安芸郡江 田島町小用 5‑1 ‑1 TEL0 8 2 3 ‑ 4 4 1 1 5 0 7

F

X0 8 2 3 ‑ 4 4 ‑ 1 3 1 2

昇す ると指摘 されているがlユト IS).その虚適正墳条件 はいまだ解明されていな

い ｡

一九 エマルシE,./爆薬の性能は含有 され るマイ ク I,I(ルー./の物理特性に強 く支配 され る｡従来の物理 特性の評価は,真比虫.か さ中皮.

耐

肋

9 8 . 9 f L d ) .

土2pm

2

%軽度である柑1.‑蜘 こ金民桝あるいは非金尻軌 土急 敢な衝撃正を受けると軸性的な串助を示す

1 7

6

7 4 0 2 MPa

本所兜では,ゼラチ'/に付怒 した2つの空気泡 と水 中衝撃波 との干渉突放か ら.気泡間の相互干渉拒僻, 液体マイ クロジェットの指向性.叔適な気泡の朋填条 件を光学的に明らかに し.マイクt',:ル‑I/圧壊の放 題な粒径比,空間分布の定性的な評価を示す ものであ る｡ ･ビラナ ンは透明でかつ青野インピーダンスが水 と 同 じと近似す る1).ゼ ラチ ンは気泡の朋攻 で形成 され る液体 ジェットの可視化が可随で.また.ltfラチ'/面 {･の衝撃波の反射が気泡切掛 こ与える形軌 土無祝 され

Ka y 8 k uGa k bi s h i .Vo l . 5 6 .No ･5 .1 9 95

Fig.1 Experimentalarraz

Igementfor

hi g h ‑ S

e e d

四 mmetry.

る｡

爽敬装置および方法

実軌 王水並 水で満 た され た試験 水

血

×400

J n

)内 で行 う｡ 匁泡 を付射 させ る平面壁 には市 販 の ゼ ラチ ン ( 和光一

級) を用 い る｡政見 , (‑セ ン ト

タ

で. この ときの音響

イ ンピー ダンスは

n t

与であ る1 ㌧ ゼ ラチ

ン

の 水で敵解 し,内面 を滞い プラスナ ヅク幌 で皮膜

され た奄軌 こ型 入す る｡

ゼ ラ1･ンの収抱 を避け るため

にゆ っ くりと冷却 し,固 化挽,釈放 片に切断す る｡ 7 タl )ル板にI t

fラチ . /を付 着 させ

た扱.ゼ ラチ ン面 を水中に投す｡ ゼ ラチ ンは水 に浸す と膨潤

す るので,実験 の浸水時間 をすべて

分 以 内に抑 えた

｡ 次に注射欝 で

個の空気泡 を距 離

だけ仰鴨をお

いてゼ ラチ ン虫に付薪 させ,それ らの大 きさ.位l 乱 お よび

奥行 きを水櫓下党側に配任 した銃 と高速駐 カ Jラの 7 7イ ンダース タ

. )一 ･ /を通 して注 意深

設定 した｡衝撃政敵 こ中国化薬

( 秩) 堆供 の ア ジ 化鼓ベ レ･ /

喝 を使用 し. これ を

気泡間 の中心軸鈴 直下 .距

血 に訣 匠す る｡ 軽

億 に は内径

亡 凸 の グラス 7 7イバ ーを介 した .

tJ L ･ス

レーザ ー光 ( パルス

.ェネ

ルギー

mJ)を用 いる｡ また.

Fig.1

に 示 す よ

うに髭

に E F ̲力変 換 器

Model603B.

固有振動

ヱ

を匿 き,気泡‑の 作用圧 を検知

した｡気泡に作用す る水中術帝政の作用

は

.05MPa

であ る｡ 気泡の朋蛾 の様相は 閃 光時 間

00F

L Sの

7 ラ ッシ Aを光 掛 こ高速 度投 影

J I

す る｡投 影方法には透過法

を採 用す る1 0 ) .実験時 の水軌

大気圧

o

= I o

であ る｡ セ ラチ l /鑑の厚 さをそれ ぞ

れ

.

1 0t d ) と変化 させ た際 .気泡の

挙動 に特 苑な変化 は認め られず.ゼ ラ･ f ･I /の好みが極めて

挿 い場 合を除 きあ

る厚 さ以上 {･ は気泡の倒壊串助はゼ ラチ ン哩の厚 さに依存 しない｡ 本実験 では I t fラチ ' /の厚 さを

E Bと

した｡ 3

.

括果 および考察 に ゼ ラチ ' /壁 面 に 付着 した同 じ直 径 の

つ の気泡の崩壊 の様相を示す

｡2

つの気泡の うち左側 の 気泡に相 当す る物理血を添 え字

.右側の気泡 を添 え 字 れ ぞれ 間軌

{･

表現す る

J l E Z h 気泡閥距

つの党抱の初期直径

亡 軌 舶 影の こま

l

はそ Sであ る

つ の気 泡間 の中心 軸 .鉛 放下

皿 に位位す る術帝政源か ら開放 され た球

状 衝撃 波は気泡 と干渉 したの ち. ゼ ラチ ' /屑内を伝播す る｡

一方,干渉を受

けた 2 つの気泡は気泡問の液体の流れ

が拘束 され てい

1

2 転 ³ 謹 上｣ 4 虹

] ^{口 6}

･ 2

t l

Fig.3 TwobubblescollapsingbyaJlundervratersh∝kwavelo

a di ng.

05MPa

. DL =

1 屯 .D

n

6.ltD.

hterframetine

40ps. Fig.4 G的metrkpm etersdescribingtheiJ

lddent aJ)g]e≠oEthesphericalshockw eaz

tdthe jetaJlgle0oEthecohpsingbub

ble.

場合,つまり

.

れる液体ジェ

ットの角度 も同Figに示す｡Fig･Sか ら

中一気泡の場 合には液体ジ

ェ

椿方向に一致 するが.2つの気泡の場合には.気泡開

度姫が増加す るにつれて液体ジェットの形成角軌 土中

心軸へ向か う 方向か ら姓反す る方向に変化 し.入射角

皮が6'.っ まり気泡間定位が10.5正D (気泡半径の約1

2倍)以上で 稗‑気泡のジ.Lサト角皮に‑鼓 し. この

とき気泡の相 互干渉は消耗する｡Tomitaeta

l

は圧力変換皆 に付廿 した大 きさの帝 しい2つの気泡 と

水中的筆洗 と の相互干渉を突放 し.圧力変換軌 こ記や

される衝撃正 抑定か ら.気泡半径の4倍以上{･相互干

渉の彫軌 主な いものと判断 した｡ この伍は本実験で得

た気泡の相互 干渉が消波する定位の1/3である｡ この違いは

Tomita etal.IC使用 した圧力変換哲の立ち上が りは時

間lfLS 千,故小領域に集中する持税時間が短い

気泡朋蛾の術 軽正 とその指向性を十分解像できた:いこ

とに起因する

と考えられ る｡ゼラす･/I土透明性体で.液体ジlツト

r I y t こ ● 一 O h a I ･ ● 一 一 一 一 一 ^■

■7ILI●▼一〇tLdh

T軸

0

rAddc71t叫gJe+tJ.tIFig.5Therehtionshipbetwe entheincider)Iangleやandthejetangle0ofthecolhpsingbubble.TheinteractionoEthetwobtlbblesvanidlewherLtheangleisa6‑deqee.Theinter･actionoftwobubblesrcsdtisdepictedwithlhesoudC∬Ve,Whilethedas'hedmrverepresentsthe s ingtebtJbbleresult.の指向性.耳通達皮,および水撃EEを非接触に定性的.

重 畳的に,すなわち.気泡が密接に隣接するときには2つの液体ジェットは中心軸上で交点し把掠できる有用な媒体であることが理解される｡(Fig.6)｡肝油深さは垂直軸方向成分のみを考慮する

｡2

互いに選曲を妨げるため耳通揮さは短かい｡しかし.

入射角鑑が増加するにつれて2つのジェット運動は相

互 に助長し合い耳遠深さは息政に増加し

,入射角度が6olC井遜輝きは塩値をとり.その後再び叔少に転する

｡液体ジェ･,トの貫通深さの増大は気泡崩壊の赦し

さの程度を示す｡したがって.Fig･5およびFig･6

かられ2つの気泡が隣凄する場合には.気泡同座軒がある値以下になると気泡の運動は隣凍する気泡で抑制さ,肋攻の乱しさが著しく横和されることがわかる.し

たがって.ェ7ルシ9ンにマイクロバルーンを含有 KayakLJGakkaiShL Vol.

0 10 20 30 40 ^{50 60}

h

cideaangl^ept▲･一〉

Fig.

6

weeJlthe maximum de

pth ami edoEthejetpene

t

dashed仙rVe represelltSthesinglebubbleresult.

2.3i

L{

､

‑ 1.52

)0 2 ^{4 6}

D/D 8

1 2

l O

Fig.

7

lhpsingthe BubbteIbyt

JleBubble2.

させるとき.同サイズの1

7イタpバルーンをある距舵 以下で隣接 させるときには壌轟特

性が低下することが 予赦される｡以上.同 じサイズをもつ 2つ

の気泡の例域の様相を 考察 した｡乗取にエ7ルシ!)I

/に含有されるマイク?

I:ル‑ンはある粒径分布を

もって空間に分布するので, 倒壊するマイ クpJ:ルーン

は位相差をもって相互に干 渉するであろう｡ したがって.ある

マイクF,I:ルー./ の倒壊で発生 した衝撃波が餅接 して朋

填するマイクp バルーンに作用 して.その倒壊速度を促

進する物理条 件が存在する｡そこで.粒径の異なる場合を故定L

Dl を1.88j:0.12

m. 2S

.25n とし.D2の変 化に対する左側気泡のジ.日,ト

の鉛直方向の･eラチ･/ 好適深 さを粥ペる｡Fig.

7に得 られた縫架を示す｡

併軸に無次元丑Dl/D2.縦軸に

CI /

液体ジ,a./トのItfヲナ l/政大耳通深さ であ

る｡Dl/D2の値の増加は.右側の気泡が左側の 気泡に比 して十分小さくなることを意味 し.このとき

cI /

b

ととも に急鼓に増加 し.

D

l/Dz=2で叔大依2.7となる｡ こ の値

はヰ一党抱の場合の約1.8倍である｡過去の可視 化計測の

実験結果20)から.単一気泡 (気泡正位1.8土0. 0

9℡)に同 じ作用正が負荷され るとき.液体ジェット のゼ ラチン灯適時の政夫速度は280亡l/8.また気泡運 動を一次元迎助 と仮定 し井出 され る水撃正は210MPa であることが示される｡いま.これらの伍を考慮 し

一 次元避助のエネルギー線存式を用いてDl/DI‑

2の ときの液体ジェ,ト速度.および水

撃正を求めるとそ れぞれ375In/8.2

81MPaとな り.気泡正位の組み合 せで気泡朋域の赦 しさがL増長

される｡

気泡が瞬間的に一定の作用正を受け.撞小体餌まで 崩壊す る時間TcはRayl

eighの肋域時間 と知 られ 以下の式で与えられる

･C

=

^{(. ,}

ここで.

Ro

期半径.pc.は液体の密度,

△

P=P‑P

プ状圧力変化

.P

.

気圧である｡2つの気泡間 の中心軸鉛蔽下L=50q)

から発生 した球面斯学波が2 つの気泡に作用 し.気泡

2の崩壊{･発生 した術撃鼓が 気泡

1

気泡

1

R

圧を受けて倒壊すると仮定す る｡半径

R

で表現 され る｡

R=

%･ %(

5 6

ここで

.C

｡

い

,C

†イ クpパル〜. /を分布 させ るのではな く.輿なる粒 径のマイ クpJ (ルーンを横桟的に選択 して,あ る粒径 の†イ タロ′くルーl /の崩壊時に.異な る粒径のマイ ク t h . ' ルー ソの倒壊で発生 した衝撃正が作用す るよ う, マイ クpJ(ルー . /の空間分布 と粒径分布を構築すれば 良い｡

4.軽 骨

7イ クt 7. ミル‑ I /の浸透圧填条件を明 らかにす るた めに,ゼ ラチ ンに付着 した

つの気抱 と水中術革波 と の干渉突放 を行い以下の括飴を持た｡

i)2

つの気泡が同寸法 の とき気泡朋填 {･ 生成 され る 液体 ジ ェッ トの形成角度は気泡間庫軌 こ依存 して 変化す る｡

2)2

つ の気泡直径が同寸法の とき,気泡の相互干渉 が消波す る気泡間荘鰍 土気抱半径の約

倍である

3)2

つの気泡の直径の寸法比が

の とき, 先 kD lは気泡

の朋壌時 に発生す る衝撃波の影 響を受けて痕 も激 しく崩壊す る｡

4)マイ クF

'バ ルーンの最適圧壊条件は.同 じ粒径の ものではな く,異な る粒子径の ものを掛倭的に選 択 して,あ る粒径のマイ クf Z, :ルー ソの朋填時に 異な る粒径のマイ クpJ:ルー ' /の崩壊 で発生 した 衝撃圧が作用す るよ う,牧子の空間分布 と粒径分 布を構築すれば良い｡

文 献

1)A.P.Holmeset

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a l. J. C

C

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名, 日本機械学 会論文集

4)

小玉 ･ほか

名. 日本搬拭学 会論文集

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Ea l.J .

m .

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De

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オーム社.

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小五 ･ほか

名.平成

年度衝撃波 シンポジウム

訴演始文集

21

)

Kayaku Gakkois帆 Vol.56.No･5.1995

‑BO G‑

A studyontheoptimum conditionforthecollapseofmicro･balloons byTetsuyaKODAMÀ,NobuoNAGAYASU叫 aJld

Xa

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i t

isualizedbyhigh‑speedphotography.Itisconcludedthattheangleoftheliquidjetformal lion,theintensityofthecollapseofthebubblesandthedistanceatwhichthemutual interactionbetweenthesebubblesvamishes,dependsonthebubblediametersandthe separationdistancebetweenthesebubbles.Theoptimum conditionformaximizingthe interactionbetweenmicro‑balI00nsisnotsosensitivetotheirseparationdistancebutis stronglyaffd bytheselectionofnon‑uniformdiameterssoastomaketheshockwave emittedfromonebbbleimpingesuponanotherbubblejustwhenthefirstbubblereaches itsminimumradius.

('ShockWaveResearchCenter,InstituteofFluidScience,TohokuUmiversity

2‑1 ‑1 K

‑7 7

''Chugok

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‑ 1‑

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7 3 7‑2 1

‑206‑ _{火薬学 会紘}