液体金属二相流の流動評価

目的

　連続鋳造では，タンディッシュから鋳型に溶鋼が注入され，鋳型を通過した溶鋼が冷却に伴い徐々に硬化する．近年では，溶鋼流出量の制御や，鋳型内の溶鋼の均質化を目的とし，鋳型外部から磁場を印加する流動制御が行われている．また，タンディッシュ内にアルゴンガスを注入することで，介在物の浮遊促進や溶鋼の均質化が行われているが，アルゴンガスが鋳型内に流入すると，鉄鋼内に中空が生じ欠陥となることから，溶鋼内を流動する気泡流動の把握と適切な予測が重要となる．
　液体金属気液二相流は，水−蒸気二相流に比べ気液密度比および表面張力が大きく，既存の二相流動モデルの適用性評価については，さらなる実験的解明が必要である．更に磁場が印加された液体金属中を気泡が流動する場合，磁場が乱流や気泡後流を抑制し，気泡の相互作用，ボイド分布などに強い影響が生じるが，実験の困難さから十分な実験データが得られていない．
　そこで本研究では，別途開発している超音波トモグラフィ，ラジオグラフィなどの計測手法を用いて，液体金属内の流動に関する研究を行っている．

　

研究内容

　

液体金属には常温で液体のGaInSn（ガリンスタン）を用い，容器内を流動する気泡を対象として，超音波トモグラフィによる気泡分布，超音波速度分布計測法による気泡速度計測を実施している．これらの計測システムは，研究室にて開発してきたものである． 　
　気泡が連続的に容器内を上昇する条件にて，水 - アルゴン，GaInSn - アルゴンの各条件において，超音波トモグラフィにて計測した連続気泡分布の結果例を示す． この例では，一断面の取得に1ミリ秒，500フレーム/秒で連続トモグラフィ計測を実施し，約1秒間における結果を疑似三次元表示させてものである．液体金属は水に比べて表面張力が大きいため，気泡形状が球形に近くなり，更に気泡の変形が少なくなっている．その結果，気泡上昇に伴う揺動も低減していることが分かる．

　

発表論文

H. Murakawa, S. Maeda, S. Eckert
Effects of a horizontal magnetic field on the cross-sectional distribution of gas bubbles chain rising in a gallium alloy, International Journal of Multiphase Flow 170, 104649 (2024). https://doi.org/10.1016/j.ijmultiphaseflow.2023.104649　　

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