http://fkojima.web.fc2.com/



    

   

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<最新更新情報>

●問い合わせメルアドレスの変更 :Email:fkojima@vega.ocn.ne.jp に変更しました。           

●20230815 What's New:「金属・合金粉末製造 ガスアトマイズ法 最前線」       

●20230613 New TOPICS:AI(人工知能) ChatGPT(チャットGPT)で検証        

●20230305 What's New:アトマイズノズル出口近傍での 負圧渦領域の金属粉砕に及ぼす影響

●20230224 What's New:ガスアトマイズ粉末製造装置概略                

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近畿大学名誉教授 工学博士 児島忠倫

公式ホームページ

Dr.Tadatomo Kojima's Official Homepage

Doctor of Engineering,Technical Adviser
Professor Emeritus of Kindai University

お問い合わせ先 Email : fkojima@vega.ocn.ne.jp 

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技術者をめざす 大学生 大学院生

幅広い産業界 エンジニアのための

「ものづくり 技術開発に役立つ 流体の力学」

「Fluid Dynamics Useful for Technology Development of Manufacturing」

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高品質 新素材 製品製造 技術革新に役立つ

「亜音速噴流 超音速噴流を駆使した 先進ものづくり」

「Advaced Manufactuaring that Makes Full Use of Subsonic Jets and Supersonic Jets」

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<ホームページの内容>

技術開発に役立つ流体の力学

-非圧縮性流体の力学 粘性流体の力学-

-圧縮性流体の力学 超音速噴流 完全流体の力学-

工業化社会に役立つ不足膨張超音速噴流の流動現象の解明&応用

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環境に優しい 高付加価値 工業製品の高品質化をめざす

ガスアトマイズ法 水アトマイズ法による金属微粉末製造技術の研究開発

アルミニウム合金粉末 アモルファス軟磁性合金粉末製造技術の研究開発

真空プラズマ放電半導体製造 次世代シャワープレート製造技術の研究開発

繊維ノズル 翼まわりの流れ 自動車用マフラー&コンバーターetc研究開発

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20230613

最近話題となっている人工知能AI ChatGPTについて検証を試みた結果を、下記に示します。

検証結果については、AIによって生成された文章(メイド・ウィズ・AI)なので、ご参考までに。

なお、それぞれ問いかけに対するChatGPTのAI生成文章は、入力日時で異なった文章となります。

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20230815

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20230305

負圧渦領域の金属粉砕に及ぼす影響

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20230224

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20221103

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はじめに

本ホームページについて

本ホームページは、著者が長年取り組んできた流体工学に関する研究成果、

ならびに産業界での応用分野を紹介したもので、超音速噴流の研究成果が主体となっている。

特に、超音速噴流に関する研究成果は、多くの産業界で応用、利用されている。

ガスアトマイズ法による金属粉末製造には超音速噴流は不可欠である。

金属粉末は、機械、自動車、新幹線・鉄道、電子機器、航空宇宙分野、医療機器など、

あらゆる工業・産業界における製品製造に利用されている。

近年、自動車排ガスの増加に伴う環境汚染、地球温暖化問題など、

地球環境保全の観点から世界的に環境規制強化が年々厳しさを増している。

電気自動車EV化へのシフトに伴う喫緊の研究開発課題として、

(1)アルミニウム合金粉末製造技術開発(車体の高性能化・軽量化・燃費改善等)

(2)アモルファス合金粉末製造技術開発(消費電力低減化・高耐食性・高強度等)

さらに、

(3)あらゆる産業機器の電子化に伴う半導体製造装置の技術研究開発も急がれている。

半導体製造装置の心臓部である真空チャンバー(プラズマ放電中)内への反応ガス噴出に

使用されているシャワープレート(シャワーノズル)の研究開発も喫緊の課題となっている。

以上の製品は、今や生活に欠かせない産業機器であり、高品質の製品製造のためには、

ガスアトマイズ法、水アトマイズ法の確立、シャワープレートなどの研究開発が急がれる。

特に、高圧ガス、高圧水を使用したアトマイズノズルの研究開発が喫緊の課題であり、

ノズル形状が製品製造の良否、性能に大きく影響を及ぼす。

環境に優しい高付加価値、高品質工業用製品のものづくり技術開発には、

流体力学の理論と実験による研究成果、および経験、知識が不可欠である。

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ものづくり 工業製品・素材・製造によって

ノズル、噴流の種類・形態を使い分けることが重要!

噴流は、流体制御による機器の運動制御や工業製品のものづくりに幅広く利用されている。

ノズル形状や噴出速度、圧力の違いによって、

非圧縮性の亜音速噴流と圧縮性の超音速噴流に大別され、用途によって両者は使い分けられる。

亜音速噴流は、付着噴流や流体素子として流体制御や機器の運動制御に使用されている。

一方、超音速噴流は、工業製品のものづくりに幅広く応用、利用されている。

超音速噴流の形態には、ノズル出口部の圧力と背圧の圧力比の違いによって、

過膨張噴流、適正膨張噴流、不足膨張噴流に区別される。

工業製品や素材などのものづくりに使用されている超音速噴流は、

多くの場合、結果的に不足膨張超音速噴流となっているケースがほとんどである。

不足膨張超音速噴流の流動特性が製品製造の良否に大きく影響するので、

その流動特性、挙動を十分に把握、理解してのものづくりが大切である。

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革新的 創造的 高付加価値の ものづくり

ものづくり製造技術の研究開発には、戦略的な研究課題を見据えながら、技術革新に加えて

新たな考え方、新たな価値を生み出せるような

イノベーション(技術革新・価値・創造)の創出・促進が喫緊の課題である。

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本ホームページの内容 構成

本ホームページは、TOPページ<前編><本編>、ならびに<各章><各サイト>から

構成されており、流体力学関連の研究成果、および技術開発に有用な情報を簡潔に網羅している。

前編ではトピックス的な内容を、本編では各章、各サイトの内容を簡潔に紹介している。

詳細な研究成果や技術開発に有用な情報は、各章、各サイトを参照されたい。

これらの情報が社会貢献の一環として、技術開発の一助となれば幸いである。

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主な公開研究論文

技術開発に役立つ流体の力学

本ホームページでは、簡潔な内容の記載としている。

研究内容・成果の専門的な詳細については、

第1章(不足膨張超音速噴流の解明および擬似衝撃波構造の解明)

著者の主な公開参考文献(公開研究論文 リンク)編に、論文のテーマ課題を記述、

リンクしているので、論文をダウンロードして参照されたい。

(なお、超音速噴流のシュリーレン写真や実験結果の図等をクリックすると関連論文が閲覧可能。)

特に

金属粉末の製造には、超音速噴流の挙動の解明が不可欠であり、第1章に記載されている

不足膨張噴流に関する研究論文が有用である。

また、先進的なものづくり・技術開発に役立つ流体力学の基礎的な知識も大切である。

非圧縮性流体の力学、圧縮性流体の力学、超音速噴流、および理想流体の力学に関しては、

下記サイトを参照されたい。

非圧縮性・圧縮性流体の力学、超音速噴流は、やさしい簡潔編と基礎編から構成されており、

大学生、大学院生、および技術者に自学自習可能な例題と解答付き演習問題が付されている。

完全流体の力学(理想流体の力学)についても、例題付きとなっているので、一読されたい。

  

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著者の公開研究論文(外部サイト)

(1)CiNii 日本の論文を探す(児島忠倫 Kojima Tadatomo

(2)Google Scholar(児島忠倫 Kojima Tadatomo)            

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著 書

(1)流れの力学」-基礎と演習- 共著 コロナ社             

(2)エース機械工学シリーズ「流体の力学」 共著 朝倉書店

       

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学会活動 役員 受賞歴 

1. 日本機械学会(商議員、評議員、論文校閲委員等歴任、功労賞、(教育)学会賞)、永年会員

2. 可視化情報学会(学会賞、功労賞)                          

3. 日本ウォータージェット学会(論文・学会誌「噴流工学」)        

4.他学会活動、多岐分野にわたる社会活動、社会貢献          

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Web内 キーワード

 流体力学、圧縮性流体力学、数値流体力学、CFD、超音速噴流、不足膨張超音速噴流、環状噴流、単一噴流、衝突噴流、

干渉噴流、気液二相流、非定常流れ、衝撃波、擬似衝撃波、圧縮波、膨張波、自励振動、境界層制御、ジェット騒音、

離散周波数騒音、二値化画像処理、コアンダ現象、付着噴流、自動車コンバータ、消音器、金属溶湯粉砕、金属粉砕メカニズム、

ガスアトマイズ法、フリーフォール型ガスアトマイズ法、コンファインド型ガスアトマイズ法、金属粉末製造法、急冷凝固、

球形粉末、異形粉末、扁平粉末、アトマイズノズル、水アトマイズ法、水アトマイズノズル、シュリーレン写真、シャドウグフ法、

3Dプリンター、CFD熱流体解析、メルトブローンノズル、紡糸ノズル、ジェットエンジン、ロケットエンジン、ラバルノズル、

フラップまわりの流れ、高揚力装置、高揚力フラップまわりの流、アルミニウム合金粉末製造法、アモルファス合金粉末製造法、

アトマイズ法原理、微粉末球形粒子製造法、軟磁性合金、電気自動車EV、軟磁性材料、半導体、LSI、大規模集積回路、メモリ、

半導体製造装置、シャワープレート、シャワーノズル、プラズマ真空放電、シリコンウェーハ、亜音速噴流、過膨張噴流、適正膨張噴流

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<  前   編  >

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NEW TOPICS

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半導体製造装置

次世代シャワープレートの研究開発

<要 約>

LSI・メモリ等の半導体製造装置にシャワープレートが使用されている。

このシャワープレートには、アルミニウム合金が用いられているが、経年変化で交換を余儀なくされる。

反応ガスがシリコン基板上で均一な薄膜を生成することが重要である。

つまり,シャワープレート(シャワーヘッド)ら噴出される反応ガスがプラズマを通過して、

シリコン基板上に薄膜を生成する。シャワープレートの細孔ノズルの形状が、品質に影響を及ぼす。

CFD(数値流体力学)を駆使することでノズル形状の最適化を図り、シャワープレートの交換頻度を少なくし、

かつ、高品質の大規模集積回路(LSI)・メモリを製造するための半導体製造装置・次世代シャワープレートの

研究開発を目指すことを目標としている。

<2020年の半導体製造装置メーカー 売上ランキングトップ15>

(出典:半導体および装置市場調査会社 米VLSI research 2021年3月発表)

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<半導体製造装置 シャワープレート 概略図>

  

               真空プラズマ放電 半導体製造装置             シャワープレート・シャワーノズル

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<半導体の用途 課題>

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<半導体製造装置 次世代シャワープレートの研究開発>

<シャワープレートの研究開発 課題>

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数値流体力学の援用による

半導体製造装置シャワープレートの研究開発

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アルミニウム合金粉末 アモルファス軟磁性合金粉末

高品質製造の研究開発

自動車などの排気ガスによる地球温暖化や大気汚染問題への環境対応が問題となっている。

欧州などにおいて,急速に環境規制が厳しくなっており,欧州各社の自動車メーカーでは, 

環境に優しい電気自動車EVへの転換が加速化している。               . 

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アルミニウム合金粉末製造法

アモルファス合金粉末製造法

電気自動車EV化      を参照。

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詳細は,それぞれ下図をクリック

  

<ZEV FCV EV PHV HV 水素自動車の位置づけ>      <アモルファス軟磁性金属 応用例>

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技術開発に役立つ 流体の力学 を学ぼう

(非圧縮性流体 圧縮性流体力学 解答付き演習問題&例題付き)

(完全流体力学 例題付き)

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2023年1月 TOPページと第2章 更新 極細ノズルによる金属粉末製造法、2022年1月 TOPページ更新

2021年4月,5月,6月,10月 TOPページ 半導体製造装置・シャワープレートの研究開発、第2章。

2020年12月 第2章 EV関連最新情報。2020年3月,4月,7月 TOPページ。

2019年4月,5月,6月,7月,8月,9月,10月,11月,12月。 2018年5月~11月

◎アモルファス粉末製造法について追加 リンク

◎トピックス 電気自動車EV化につてTOPページに追加

◎完全流体力学 理想流体力学 追加。◎TOPページに噴霧チャンバーの役割追加 リンク
◎TOPページ ウェーバ数 表面張力 追加。◎TOPページ、第1章、第2章 更新。
◎金属粉末製造技術開発  知っておきたいアトマイズ法  諸現象の知識 雑学 リンク
◎TOPページに:金属粉砕に及ぼす一般的な影響因子                       
◎TOPページに:特筆すべき効果的で大きな影響因子                          
◎TOPページに:金属粉末製造 アモルファス合金粉末製造 研究開発指針     
◎アトマイズ法に役立つ非圧縮性流体力学 亜音速噴流 簡潔編と基礎編 リンク
◎アトマイズ法に役立つ圧縮性流体力学 超音速噴流 簡潔編と基礎編  リンク
①TOPページに:金属アトマイズに役立つ流体力学の概要を記載                     
②TOPページに:アトマイズ法による 金属・非金属・非晶質金属・合金製造法   
③TOPページに: 極細ラバルノズルのガスアトマイズ法への応用例追加       
④TOPページに:ガスアトマイズ、水アトマイズの問題点、盲点追加更新        
*詳細は、HPと更新情報欄を参照。

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< 本    編 >

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近畿大学名誉教授 工学博士 児島忠倫

Dr.Tadatomo Kojima's Homepage

児島忠倫のホームページへようこそ

工業化社会 航空宇宙分野 への応用
不足膨張超音速噴流に関する研究
擬似衝撃波構造の解明

Doctor of Engineering,Technical Adviser
Professor Emeritus of Kindai University

Technical Development of Gas Atomized Powders

不足膨張超音速噴流による

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アトマイズ法 金属粉末製造技術

高品質合金粉末製造技術の研究開発
ガスアトマイズ法最前線 最強金属粉砕技術開発
高圧水アトマイズ法 金属粉砕技術開発

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紡糸ノズル メルトブローンノズルの研究開発
最新メルトブローン法による不織布製造技術の研究開発

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ジェット推進 ロケット推進 姿勢制御の技術開発
ジェットエンジン排気ノズル 推進ノズルの研究開発

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流体力学を駆使した自動車性能改善に関する技術開発
自動車用マフラー コンバーター デザインの研究開発

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近畿大学名誉教授
工学博士 児島忠倫
DR.Tadatomo Kojima
Professor Emeritus of Kindai University
Doctor of Engineering,Technical Adviser

お問い合わせ先 E-mail : fkojima@vega.ocn.ne.jp

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Site1 of Experimental Apparatus and Schlieren System
(超音速噴流 実験装置 可視化 シュリーレンシステム サイトへ)

Site2 of Schlieren Photography, CFD and Measurement Data
(シュリーレン写真 流れ場 測定結果 CFD 解析結果 サイトへ) 

Site3 特別講義 講演会 講座 流れのおもしろいお話し ふしぎなお話し 出張講義 
(亜音速の流れ 超音速の流れ 流体の力学 流れの ”ふしぎなお話し”)
(飛行機は ”なぜ飛ぶのか” ボールは ”なぜ曲がる” ”なぜゆれる”)
 

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著者の公開研究論文、本ホームページに掲載されているシュリーレン写真、高速度カメラ映像、CFD解析画像の結果は

シュリーレンシステム:2面対向法シュリーレンシステム スパーク光源システム       (溝尻光学工業所

②高速度カメラシステム:シュリーレンシステムに組み込まれた高速度カメラナック nac IMAGE TECHNOLOGY  )

③熱流体解析(CFD)システム:熱流体解析ソフトウェア  STREAM およびSCRYU/Tetra ( ソフトウェアクレイドル )

のシステムを用いている。本結果については、本フロントページ、および Site1   Site2を参照されたい。

*流れの可視化画像⇒シュリーレンによる可視化画像、CFDによる解析画像は、工学的、工業上 非常に有益、重要!

 

*****  *****  *****

本TOPページでは 各章の概要 について記述している。

詳細については、それぞれの章、Site、解析事例などを参照されたい。

さらに、次の内容を付加して記述している。

************************************

<役立つ諸現象の基礎知識>

 

    

  *****  *****  *****

 

<超音速噴流概要編>

不足膨張超音速噴流 擬似衝撃波構造

シュリーレン写真

(シュリーレン写真やグラフ等をクリックすると関連論文閲覧可能)

<シュリーレン写真 不足膨張超音速噴流 衝撃波 定常流れ 非定常流れ>

*****     *****     *****

 

<シュリーレン写真 衝突噴流の流れ 不足膨張噴流>  <シュリーレン写真 平行噴流 不足膨張噴流>

*****     *****     *****

  

<シュリーレン写真 超音速流中に置かれた物体まわりの流れ>

*****     *****     *****

詳細はについては、、および  を参照されたい。

なお、上記内容の詳細については、第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。(リンク付き)

*****  *****  *****

はじめに

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このホームページは、工学的な観点から、亜音速噴流、遷音速噴流、超音速噴流の流れのようすと挙動 、

衝撃波構造等の解明について述べたものである。この研究成果は、航空宇宙関連分野、自動車関連分野 、

および工業化社会におけるものづくり(金属粉末製造技術開発、化学繊維製造技術開発)に応用できる技術

的な指針、内容となっている。特に、これらの噴流を応用した工業用製品の製造に有用と思われる専門技術

的な内容を包含、著者の公開研究論文サイトへもリンクされている。

*****     *****     *****     *****     *****

本ホームページは、著者が長年取り組んできた超音速噴流、特に、不足膨張超音速噴流に関する研究を、

取りまとめたものである。

その研究成果を、主に、第1章とSite2に、また、Site1に超音速噴流を噴出させるための実験装置、および

超音速噴流の局所的な定常・非定常の流れ場の圧力分布、速度分布、温度分布、マッハ数分布の計測技術・

方法、可視化技術・方法について述べている。超音速流れ場の解明には、いずれもユニークな手法による計測

技術、可視化技術が生かされている。

第2章から第5章では、超音速噴流を工学的な観点から、工業化社会に応用できる分野の内容について、取りま

とめたものである。超音速噴流は、産業界においていたるところで利用、応用されている。

第2章、3章で述べたように、金属粉末を粉砕製造するためのアトマイズノズル、また、化繊などの製品を製造

するための繊維ノズルなどは、幅広い分野での製品製造に役立っている。

特に、アトマイズノズルで製造される金属粉末は、機械、自動車、新幹線・鉄道、電子機器、航空宇宙分野、

医療機器など、あらゆる工業・産業化社会における製品製造に応用、利用されている。金属粉末の品質が、

これら機械、電子機器などの品質、性能に大きく寄与しており、先進的で豊かな社会の構築に、大いに役立ち、

貢献している。

アトマイズ法については、ガスアトマイズ法を第2章とSite2に、水アトマイズ法を熱流体解析事例(3)に

示している。いずれもCFDを用いてガス流れ、溶湯流れ、および溶湯粉砕状況を解明している。

本ホームページが、関連する分野の技術開発、および社会貢献の一助となれば幸いである。      .

*****  *****  *****  *****

 

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本ホームページの目録

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本ホームページは、下記に示す各章、Site、熱流体解析事例の項目から構成されている。

はじめに(Top)
第1章 不足膨張超音速噴流の解明および擬似衝撃波構造の解明 .
第2章 最新ガスアトマイズ法による金属粉末製造技術の研究開発
第3章 高性能 高機能繊維製造用 化学せんいノズルの研究開発
第4章 不足膨張超音速噴流の翼周りの解明 コアンダ現象の解明
第5章 自動車用マフラー コンバーター 車輌まわりの流れの解明
まとめ 終わりのサイトへ
*****  *****  *****  *****
Site1 実験装置 シュリーレンシステム .
Site2 実験結果 CFD シュリーレン写真
Site3 特別講義 流れのふしぎな話し   .
Site4 CFDシステム 可視化システム  .
熱流体解析事例(1) 気液二相流 広がりノズル境界層制御 CFD
熱流体解析事例(2) 極細ラバルノズル 極細2重環状高圧噴流の干渉特性 CFD           .

熱流体解析事例(3) 高圧水アトマイズ法 粉砕メカニズム CFD 
熱流体解析事例(4)付着噴流の制御,平行噴流の干渉,熱伝達を伴う管路内流れ,せきを超える流れ CFD
  
管末端の近傍の静圧と流速(水,空気の噴出の場合),円形・長方形噴流の干渉,双安定形付着噴流の制御法,実験結果

*****  *****  *****  *****

*****  *****  *****

<究極ラバルノズル アトマイズ法による金属粉末製造法>

アモルファス金属粉末製造法については,こちらより。

 

*****  *****  *****

<金属粉末製造 効果的なパラメータによる 研究開発>

****  ****  ****

<金属粉砕エネルギーの有効利用法 対策法>

*****  *****  *****

 

水アトマイズの噴霧チャンバーとガスアトマイズの噴霧チャンバーの

大きさが極端に異なる理由については、アモルファス粉末製造法で述べる。

*****  *****  *****

<アトマイズ法の原理>

 <粉末形状に及ぼす諸因子 有効な超音速噴流の形態>

について

  

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その他、金属粉末形状に及ぼす因子として

ウェーバ数 や 表面張力 がある。

これらの因子を有効的にコントロールすることは、他の因子と相まって実際には困難を極める。

ウェーバ数は、慣性力表面張力の比で表される無次元数である。

液体が他の液体や気体と接している界面を有する場合、問題解決の指標として用いられる無次元数である。

たとえば

燃料の噴射、液滴、気泡の形成などの問題解決 ⇒ ウェーバ数が支配的なパラメーターとなる。

ガスアトマイズや水アトマイズによる溶湯粉砕時の液滴の形状に影響を及ぼす。

①ウェーバ数が大きい場合 ⇒ 表面張力に対して慣性力が大きいために

液滴はいびつとなり、異形形形状の粉末となりやすい。

②ウェーバ数が小さい場合 ⇒ 慣性力に対して表面張力が大きいために

液滴は球状になりやすく、球形形状の粉末となりやすい。

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球形粉末の粒子の製造には、粉末粒子の①表面張力、②冷却速度、③噴霧媒体の種類が影響を及ぼす。

さらに、④アトマイズノズルのデザイン などが影響を及ぼすと考えられる。

①表面張力の最適化、②冷却速度の最適化、および④アトマイズノズルデザインの最適化が重要である。

*****  *****  *****  *****

<粉砕に有効な超音速噴流の形態>

<不足膨張噴流の速度分布>

<不足膨張噴流の写真、構造、全圧分布、マッハ数分布>

 

 

*****  *****  *****  *****

*****  *****  *****  

について

*****  *****  *****

*****  *****  *****  *****

<ガスアトマイズ法概要編>

ガスアトマイズ法 金属粉末製造

*****     *****     *****     *****

フリーフォール型ガスアトマイズ法

   

<フリーフォール型ガスアトマイズ法 粉砕のようす>

*****     *****     *****     *****

コンファインド型ガスアトマイズ法

   

<コンファインド型ガスアトマイズ法 粉砕のようす>

*****     *****     *****     *****

ガスアトマイズ法 金属粉砕メカニズム

*****     *****     *****

実験とCFDによる二相流体 非定常流れの解析結果(時間刻みの動画解析)より、金

粉砕メカニズムの解明を行っている。CFDは、理論、実験結果と良く一致している。

下記の図は、ガスアトマイズ法による定性的な粉砕メカニズムのイメージ図である。実

際の粉砕メカニズムは、高圧高速で噴出されるガス流が激しく自励振動する超音速噴

となっており、また、干渉する複雑な流れとなっている。したがって、実際の粉砕メカニ

ズムは、下記の定性的な粉砕メカニズムを基本としつつ、複雑な流れ場での粉砕が生じ

いる。                                    .

*****     *****     *****     *****

<ガスアトマイズ法 金属粉砕メカニズム>

上記内容の詳細については、第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。(リンク付き)

*****     *****     *****     *****

解決すべき課題

*****     *****     *****     *****

ガスアトマイズ法 溶湯粉砕状況 最適化デザイン

*****     *****     *****

アトマイズ法による金属粉砕は、複雑な要素が多い。特に、粉砕メカニズムは、複雑である。

アトマイズノズルなどのデザインを含む最適化デザインが必要である。

*****     *****     *****     *****

  

<ガスアトマイズ法 溶湯粉砕状況 金属粉末製造 最適化デザイン>

*****     *****     *****     *****

                                           

フリーフォール型ガスアトマイズ法    コンファインド型ガスアトマイズ法

*****     *****     *****     *****

*****     *****     *****     *****

金属溶湯 粉砕メカニズム

主として、コンファインド型ガスアトマイズ法。フリーフォール型ガスアトマイズ法でも一部適用。

*****     *****     *****     *****

*****     *****     *****     *****

解決すべき課題は、他にもいくつかあるので、第2章の後編(詳述)を参照されたい。

*****  *****  *****  *****

ガスアトマイズ法の詳細については、 、および  を参照されたい。

*****  *****  *****  *****

<水アトマイズ法概要編>

水アトマイズ法 金属粉末製造

金属粉砕メカニズム 最適化デザイン

*****     *****     *****     *****

高圧の水によるアトマイズ法は、高圧水の運動エネルギーで金属溶湯を粉砕する手法である。

しかし、流体エネルギーでの粉砕以外にも、高圧での水の流出状況や周囲気流の巻き込みな

が複雑に絡み合い、粉末の品質に及ぼす粉砕メカニズムは、複雑になっていると推察される。

*****     *****     *****

水アトマイズ法 粉砕メカニズム

 

<水アトマイズ法 金属粉砕メカニズム概略>    <水アトマイズ法 最適化デザイン>

*****     *****     *****     *****

水アトマイズ法 粉砕メカニズ イメージ

高圧水による水アトマイズ法の金属粉砕メカニズムを示す。ここでは、定性的な粉砕メカニズムを

示している。実際には、吸入される気流および高圧水は激しく振動しており、噴霧チャンバー内で

それぞれが激しく干する流れとなる。高圧水によって吸入される大気流は、噴霧チャンバーの上

方から高速流れとなり、超音速流れとなって噴霧チャンバー内に流入する。このような超音速流れ

場において、溶湯流は噴霧チャンバー内に流下する以前にすでに初期の粉砕が生じていると考え

れる。このような状況の流れ場において、高温で流下する溶湯流は、高圧水によって噴霧チャンバー

内で微砕される。なお、高圧水キャビテーションを伴った流れとなっており、このキャビテー

粉砕メカニズムに少なからず影響を及ぼしていると考えられるしたがって、実際の粉砕

砕メカニズムを基本としつ、非定常的な流れ場での複雑な粉砕メカニズムとなっている。.

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<水アトマイズ法 金属粉砕メカニズム イメージ> 

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水アトマイズ 粉砕メカニズム

なお、キャビテーションの崩壊時における衝撃圧を利用して、金属粉砕に応用した事例も見られる。

流体の運動エネルギー

流体の運動エネルギーについては、「アトマイズ法に役立つ流体の力学 知識編 「リンク マーク」の画像検索結果 を参照されたい。

「流体の運動エネルギーは、いくつかの要因が考えられるが、

流れの動圧や力学における運動量保存則を流れに適用して求められる。」

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高圧ノズルから噴出する 高圧水の流れ

高速度カメラで撮影 噴霧状況

<高圧水の流れ>

*****     *****     *****

水アトマイズ法の詳細については、 を参照されたい。

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<熱流体解析概要編>

熱流体解析(CFD)システム&解析事例

熱流体解析(CFD)システム

   

*****     *****     *****

<熱流体解析CFDシステム>、<熱流体解析CFDについて>、<熱流体解析CFD導入の 利点>

詳細については、 を参照されたい。

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熱流体解析事例

<熱流体解析CFD導入の 事例 (著者の研究 導入事例)>

本ホームページにおいては、数値流体力学 CFD(Computational fluid dynamics)を用いて解析した研究開発の事例をいくつか示す。

亜音速流れ、超音速流れ、高圧、高温を伴う気体や液体の流れの解明、および熱を伴う流れの解明、定常流れ、非定常流れの解明には、

CFDによる解明が今日では、欠かすことのできない有効な手法である。これらの分野では、実験的な解明も重要である。しかし、衝撃波を

伴うような超音速流れ、非定常流れ、高温、高圧の流れなどは実験が困難である。このような分野の流れの解明には、CFDによる熱流体

解析が非常に有効である。特に、非定常流れの時間経過による連続的な動画解析による解明がCFDの出現で可能となっている。さらに、

二相流の非定常流れ、混相流の流れの解明にもCFDによる解明が欠かせない。著者の研究では、衝撃波を伴う超音速流れの実験的な

に加えて、CFDによる解明を行っている。CFDによる複雑な流れの解明を、それぞれの章、Site、熱流体解析事例として紹介している。

第2章に、ガスアトマイズ法による金属溶湯粉砕メカニズムの解明、および熱流体解析事例(3)に、高圧水アトマイズ法による流れの解明

をCFDによる解析結果として紹介している。CFDがアトマイズ法による金属粉末の製造に関する技術開発には、有効であることを述べている。

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第1章における超音速噴流の擬似衝撃波構造の解明については、CFD解析の事例を、Site2に示している。                 .

第2章では、ガスアトマイズ法によるアトマイズノズルの研究開発に応用している。2相流の解析を行うことで金属粉砕メカニズムを明らかに

る。動画解析を行うことで、溶湯金属の非定常な流れの解明を行い、金属粉砕メカニズムの解明を明らかにしている。高温高圧のガス流れ、

粉砕された飛散する流れのようすの解明に有用なツールである。CFDの解析結果は、理論、実験結果とよく一致している。     .

第3章では、高温、高圧の繊維ノズルから噴出する高分子溶液の非定常な流れの解明を行っている。繊維生地、不織布などの製造メカニズムの解

明、  高機能の品質を生産するための開発に役立てている。CFDによる動画解析の結果は、非常に細い繊維の生成状況の挙動とよく一致している。

第4章では、航空宇宙分野の研究開発の一事例を紹介している。フラップの角度変化による翼まわりの流れの解明を行っている。また、超音速噴流

曲壁面に付着する付着噴流の非定常流れの解明、コアンダ現象の非定常特性を明らかにしている。CFD解析結果は、実験結果とよく一致している。

第5章では、自動車関連の研究開発の一事例を紹介している。自動車まわりの流れの解明、およびマニホールド内の流れ、自動車用マフラー内の流

コンバーター内の流れ、エアコン吹き出し中の車内の空気流れなどの解明を行い、性能改善に寄与できる研究開発をCFDで行っている。   .

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<熱流体解析CFD 解析例>

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CFDによる解析の一例を、紹介する。各分野でのCFDの解析事例については、それぞれの項目を参照されたい。

(1)先細ノズルとラバルノズルから噴出する超音速噴流の非定常流れの解明

       

<CFD 動画解析 先細ノズル 超音速噴流の非定常流れ>    <CFD 動画解析 ラバルノズル 超音速噴流の非定常流れ>

先細ノズルとラバルノズルから噴出される超音速流れの動画解析の一例を示す。

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(2)広がりノズルから噴出される超音速噴流の境界層制御 CFD解析&実験結果

解析結果は、実験結果と良く一致している。主流は、制御流により種々形状に変化する。

 

<CFD 非定常流れ 動画解析結果 超音速噴流の境界層制御 広がりノズル>

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<実験結果 超音速噴流の境界層制御 広がりノズル>

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不足膨張超音速噴流の流れについての詳細は、 を参照されたい。

なお、上記内容の詳細については、第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。(リンク付き)

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(3)超音速噴流 曲壁面に沿うコアンダ現象 CFD解析

解析結果は、シュリーレン法による可視化結果と良く一致。付着噴流の時間変化による過程を示している。

  

<コアンダ現象 曲壁面に沿う超音速流れ>

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曲壁面に沿う超音速流れの詳細については、 を参照されたい。

なお、上記内容の詳細については第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。(リンク付き)

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(4)自動車まわりの流れ CFD解析

    

<自動車周りの流れ 圧力分布 後方の流れ>

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(5)消音器内を伝播する衝撃波構造 CFD解析

CFDの解析による等密度線図は、関根らによる可視化実験による衝撃波構造は良く一致している。

消音器内の入り口で発生した衝撃波は、後方に一対の渦域を伴いながら時間の経過とともに出口

向かって移動する。消音器の出に到達した衝撃波は出口壁面で反射して入口の壁面まで到し、し

だいに減衰していく。                                           .

     

(a)t=0.50ms             (b)t=0.83ms             (c)t=1.36ms           可視化 

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(a)t=0.41ms             (b)t=0.92ms             (c)t=1.38ms           可視化 

<消音器内の流れ 衝撃波構造の解明>

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自動車関連、消音器内を伝播する衝撃波構造の詳細については、 を参照されたい。

なお、上記内容の詳細については第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。(リンク付き)

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(6)管路内 付着噴流 管路内の狭さく流れ CFD(独自のFortranプログラム 開発)

解析結果は、インク注入法による流れの可視化と良く一致している。解析手法は、ナビエ・ストークスの方程式

差分化近似化、流れ関数を算出して流線を描いている。解析プログラムは、Fortran言語を用いて計算を行った。

       

<付着噴流 管路内狭さく流れ>

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付着噴流および管路内狭さく流れの詳細については、数値シミュレーション事例(4)を参照されたい。

なお、上記内容の詳細については第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。(リンク付き)

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(7)CFDによる非対称流路内付着噴流の切り換え制御

非対称管路内の主流の側壁への付着噴流を制御流により切り換え制御を行った。主流に対する

制御流の流量比によって、主流は反対側の側壁面に偏向して付着することが可能である。

  

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(8)熱伝達を伴った管路内流れの解析 CFD解析

熱伝達を伴った管路内の流れについて、熱交換器を設計する際の基礎資料を得ることを

目的としてCFDにより解析を行った。その結果、管路内に設置されたフィンの枚数や高さを

変化させた場合の速度ベクトル、温度分布、および乱流エネルギー分布を調べた。その結

果、熱交換器の設計に有用なデザインを得ることができた。なお、下図に示すように、解析

果とインク注入法による可視化結果は、良く一致している。

   

    

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(9)せきを超える流れの解明 CFD解析

開水路流れは、天然の河川、ダム、人口の運河、水、用水路などのさまざまな場所でみられる。

液体と空気接触面(自由表面)は、時々刻々と変化する。支配方程式には、連続の式、非定

のNavier-Stokes方程式およびエネルギー方程式を、乱流モデルにはk-ε方程式を用いた。自由

面の形状の計算には、任意形状の自由表面の扱いに適用可能なVOF法を用い、せきの形状の認

識には、FAVOR関数を用いた。流体の流入は一様流とし、流出は連続境界とした。解領域の

上面は、大気圧とし、上方向に静水圧を加えた。また、解析領域の下面は剛体壁とし、壁せん断

抵抗は速度の2乗に比例するとした。なお、気泡の周囲が流体で囲まれている場合に、気泡を含

んだ計算セルをそのままの状態で取扱い計算を行った。解析結果は、実際の河川などに見られる

流れと良く一致している。

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(a)刃形せきを超える流れの解明 CFD解析

刃形せき形状の認識には、FAVOR関数を用いた。自由表面の表示には、流体占有率50%を

そのしきい値とした。数値解析には、MAC(Maker and Cell)法から発展した2次元の圧力と速

度の同時反復解法コードのSOLA法を用いた。移流項には1次精度の上流差分法、時間項には

陰解法を用い、初期時間ステップはΔt=0.06とした。各時間ステップにおいては、SORで繰

返し計算を行った。計算は、2次元解析となっている。

      

 

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(b)台形せきを超える流れの解明 CFD解析

  

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せきを超える流れについて、CFDにより解明を行った。解析結果は、実際の流れの可視化と良く一致。

詳細の結果は、数値シミュレーション事例(4) と公開研究論文を参照されたい。

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(10)ガスアトマイズ法 金属粉砕メカニズムのようす CFD解析

<数値解析方法>

基礎方程式には,各相の質量保存式,各相の運動量保存式,乱流エネルギー式,乱流消失率の式,

エネギー保存式,および拡散物質の保存式等を用いた。なお,計算は,流れ場を非定常流として取

り扱い,有体積法をいて三次元ノズルのモデルで計算を行った。気液二相流の解析には,異なる

2つ以上の相が在している混流,つまり気液の混ざり具合のみを考慮し,相が分散している2流体

モデルを適用した。このような2流体モデルでは,同じ位置に各相の体積率や速度などが存在するが,

圧力は,各相で共通の圧力として取り扱う。つまり,気液の各相の平均の体積割合を用いた2流体モ

ルによる分散混相流の手法で解析を行った。なお,環状ノズルから噴出される高圧の空気を第1相

続相,流れ場に分散して存在する相を第2相の分散相とする。第2相の水とアルミニウム溶湯の液

分相として設定した。数値解析法の詳細については、第2章 および公開研論文を参照されたい。

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<アトマイズノズル ガスアトマイズ法 金属粉砕メカニズム>

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<アトマイズノズル アトマイズノズルから流出するガスの流れ>

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<アトマイズノズル アトマイズノズルから流出するガスの流れ>

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<アトマイズノズル アルミニウム溶湯粉砕メカニズム>

上記内容の詳細については、第2章、および第1章に掲載されている公開研究論文を参照されたい。

 

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(11)超極細ラバルノズルから噴出される超音速噴流 CFD解析

  超極細ラバルノズル内の流れ 高圧の空気を大気中に噴出させた場合

ラバルノズルのスロート部を極限まで絞った場合の、ラバルノズル内の流れを示す。

本解析は、SCRYU/Tetraによる圧縮性解析の結果を示す。

   

<ラバルノズル内の流れ>

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<ラバルノズルから噴出する超音速流れ>

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詳細については、  と  を参照されたい。

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(12)極細2重環状超音速噴流の干渉する流れ CFD解析

2重の極細環状ノズルから高圧で流出する超音速噴流の干渉する流れの特性。

極細スリットのために複雑な衝撃波を伴う流れとなり、下流域で合流する傾向が見られる。

合流する付近に強い弓形の衝撃波が生成され、超音速流れから不連続的に亜音速噴流に急減

する流れとなる。環状ノズル出口付近では、流れの急膨張により急冷する流れ場が生じるが、

状超音速噴流の衝突によるエネルギーの増加により弓形衝撃波後方での亜音速噴流の領域で

は、温度の急上昇する流れ場となる。本解析は、SCRYU/Tetraによる圧縮性解析の結果を示す。

 

<極細2重環状超音速噴流 速度分布 速度線図>

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<極細2重環状超音速噴流 温度分布 マッハ数分布>

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<極細2重環状超音速噴流 密度分布 密度こう配線図>

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(13)高圧水アトマイズ法 水アトマイズノズルから噴出される高圧水の流れ

吸入空気の流れ CFD解析

 

<水アトマイズ法 水アトマイズノズルからの高圧水の流れ CFD解析>

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<水アトマイズ法 高圧水の流れ 吸入空気の流れ CFD解析>

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<水アトマイズ法 水アトマイズノズルからの高圧水の流れ CFD解析>

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金属粉砕に役立つ極細ラバルノズルの設計指針

  

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極細ラバルノズルを応用したアトマイズ法の一例

下図は、コンファインド型ガスアトマイズ法の一例を示すが、フリーフォール型アトマイズ法にも適用できる。

ラバルノズル形状(幾何学的な形状)が、粉末の品質(粉末形状、粉末サイズなど)に大きな影響を及ぼす。

系統的な実験データーの積み重ねで、粉末品質の評価が可能である。

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金属粉砕技術におけるガスアトマイズ法や水アトマイズ法において、

意外と見逃すことの多い問題点、盲点を流体力学的な観点から要約。

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ガスアトマイズ法に役立つ流体力学の基礎知識

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金属溶湯粉砕に役立つ せん断応力 速度こう配

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アトマイズノズルの設計に役立つ有益なノズルの幾何学的な形状

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ガスアトマイズ法に役立つラバルノズルの基礎知識

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金属粉砕に役立つ超音速噴流の形態

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<実験装置概要編>

超音速噴流実験装置 シュリーレン可視化システム

流れの可視化 シュリーレンシステム        連続式超音速噴流 発生装置

         

<超音速噴流の実験装置、流れの可視化 シュリーレンシステム>

*****     *****     *****

 詳細については、 を参照されたい。

<シュリーレンシステムの導入の利点>

流れの可視化は、流れ場の現象解明の手段として、実験による圧力測定、速度測定などでは得られない有益な現象解明に有益である。

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実験装置概略図 自動計測制御システム

(流れの可視化 シュリーレンシステム 高速度カメラ撮影)

  

<連続式 超音速噴流システム>

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詳細については、 を参照されたい。

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清華大学 航天航空学院(北京市)にて 特別講義・講演会

(2010年海外先端研究者招聘プログラム講演会にて)

(超音速噴流の構造 挙動 可視化技術 CFDの有用性) 

  

  

   

 

清華大学 航天航空学院 大学院生講義 大学正門 構内

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詳細については、 を参照されたい。

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【ホームページHP 更新情報】

  

  最新更新情報は,TOPページの上方に記す。

  20190801~20191201 トピックス,アルミニウム合金粉末製造法アモルファス合金粉末製造法追加。

  20190520  噴霧チャンバーの役割 追加。 20190404 TOPページ更新。20181030 アトマイズ法知識・雑学追加。

  20181015 金属粉砕に及ぼす一般的な影響因子、特筆すべき効果的な影響因子追加
  20180801 TOPページに非圧縮性流体の力学および圧縮性流体力学の簡潔編と基礎編に関するPDFフィルをリンク作成 
  20180723 TOPページにアトマイズに役立つ流体力学基礎編を追加。20180708 TOPページ更新 極細ラバルノズルのガスアトマイズ法への応用例
  20180515  TOPページ更新 ガスアトマイズ、水アトマイズ問題点 盲点追加。20180514 TOP,第2章 ガスアトマイズノズルのメリット デメリット追加更新
  20180408 TOPページ更新。20180407  TOPページ&第2章 表面張力・粉末形状について追加更新。20180329  TOPページ アトマイズ法の原理追加
  20180311  熱流体解析事例(2)追加更新。20180211 TOPページ 熱流体解析事例(12)2個の環状超音速噴流の干渉する流れ CFD解析 追加更新
  20180119 TOPページ、第2章 更新。20180114 TOPページ更新。20180101  TOPページ、および数値シミュレーション事例(4) 追加更新
  20171228 ホームページ更新。20171224  TOP、第2章、Site2のページ 追加更新。20171213 TOPページ、第5章 更新
  20171201 20171121 TOP(はじめに)、熱流体解析事例(3)高圧水アトマイズ法の章 更新。20171119 熱流体解析事例(3) 高圧水アトマイズ法 更新
  20171113 数値シミュレーション事例(4)の章を追加更新。2017116 熱流体解析事例(2)(3)の章にそれぞれ極細ラバルノズル水アトマイズ法 追加更新 
  20171101 熱流体解析事例(1)(2)の章に、解析事例 追加更新。20171030 ホームページのリニューアル 更新
  20171026 ホームページ更新。20170927 まえがき 第5章 自動車関連CFD  追加更新。20170926 フロントページページまえがき 第4章 第5章 更新
  20170925 フロントページ CFDの記述更新、Site3(特別講義・講演会)追加。20170922 フロントページ 図 写真 追加更新
  20170920 第2章 補足事項更新。20170915 第1章、第2章 図 写真 追加。
20170905 主な公開参考文献 追加更新
  20170809 第2章~第4章 更新。第5章 自動車関連に関する研究開発 追加更新
  20170807 第2章 幾何学的形状の異なるガスアトマイズノズル CFD熱流体解析結果 追加更新
  20170804 第2章 電気自動車EV普及 自動車車体の軽量化。トヨタ&マツダ EV共同開発 資本提携。追加更新
  20170720 第2章 アルミニウム合金(Al-Si-Mg合金)粉末特性 金属3Dプリンターメーカー 原料粉末メーカー 追加更新。20170710 第2章 更新
  20170620 第2章 自動車車体などの高性能化 軽量化 アルミニウム合金のメリット ニーズ 製造技術開発 追加更新
  20170610 第2章 金属ファインパウダーのニーズ 3Dプリンターのニーズ 最新情報 追加更新。20170510 第3章~第5章 更新
  20170510 第3章~第5章 更新。20170430 第5章 自動車性能改善および関連部品の研究開発 自動車用マフラー 自動車用コンバーターの研究開発更新
  20170425 第4章 航空宇宙分野 翼まわりの流れ ジェット推進 ロケット推進 排気ノズル研究開発 姿勢制御の技術開発
  20170420 第3章 高機能繊維製造用 化学繊維ノズルの研究開発、メルトブローン法による不織布製造技術の研究開発 更新。20170410 第1章 第2章更新
  20170320 第2章 不足膨張超音速噴流による金属粉末製造 粉末形状に及ぼす影響 応用例(1)~(4) 追加更新
  20170315 第2章 金属粉末製造技術の研究開発 最適化ガスアトマイズ法の技術開発 粉砕メカニズム 追加更新
  20170310 第1章 不足膨張超音速噴流の解明および疑似衝撃は構造の解明 更新
  20170210 Site1 Site2 更新。  20170130 Site1 of Experimental Apparatus and Schlieren System 更新
  20170130 Site2 of Schlieren Photography, CFD and Measurement Data 更新。  20170115 HP 更新
  20161225 ホームページ開設 不足膨張超音速噴流の解明 擬似衝撃波構造の解明 不足膨張超音速噴流を応用した最適化ガスアトマイズ法の技術開発

第 1 章
工業化社会 航空宇宙分野 に役立つ

不足膨張超音速噴流の解明および擬似衝撃波構造の解明
単一不足膨張噴流の定常・非定常特性に関する研究
非対称な不足膨張噴流の擬似衝撃波構造の解明
非対称超音速噴流の干渉特性に関する研究
平行な超音速噴流の干渉特性に関する研究
平行な異径超音速噴流の干渉特性に関する研究
衝突する不足膨張噴流の干渉特性に関する研究
離散周波数をもつジェット騒音の解明
超音速噴流の境界層制御に関する研究 
広がりノズルから噴出する超音速噴流の研究
環状ノズルから噴出する超音速噴流の研究
CFDによる気液二相環状超音速噴流の研究
CFDを駆使した金属粉砕メカニズムの理論的な非定常解明
(CFD:Computational Fluid Dynamics 数値流体力学)
キーワード:超音速噴流、不足膨張噴流、衝撃波、擬似衝撃波、ラバルノズル、広がりノズル、干渉噴流、CFD解析

第 2 章
流体力学 不足膨張超音速噴流 を駆使した

最新ガスアトマイズ法による金属粉末製造技術の研究開発
 不足膨張超音速噴流を応用した最適化ガスアトマイズ法の技術開発
環状ノズル 多孔ノズルによるガスアトマイズ法
フリーフォール型ガスアトマイズ法

コンファインド型ガスアトマイズ法
 金属微粉末の製造方法 
の技術開発
 金属溶湯粉砕メカニズムの解明
CFDによる金属粉砕メカニズムの解明
アトマイズノズル出口近傍の超音速流れの解明
溶湯ノズル & アトマイズノズルの最適化デザインの研究開発
先端産業界 航空・宇宙 自動車 電子部品 医療 3Dプリンター分野のニーズ
高品質 高機能材料  金属ファインパウダー  製造技術の研究開発 
車両などの軽量化変革 アルミ合金粉末など 3Dプリンター素材として 国内外 需要増加 増産傾向
高圧水アトマイズ法については、 を参照されたい。
キーワード:アトマイズ法、ガスアトマイズ、水アトマイズ、アトマイズノズル、金属粉末製造、金属粉砕、コンファインド型ガスアトマイズ

第 3 章
流体力学 不足膨張超音速噴流 を駆使した

高性能・高機能繊維製造用 化学繊維ノズルの研究開発
最新メルトブローン法 による不織布製造技術の研究開発
<紡糸ノズルの研究開発>
衣料用品などの新素材を製造する紡糸ノズルの技術開発

<メルトブローンノズルの研究開発>

医療用品、自動車資材、建築資材などの不織布を製造するノズルの技術開発
キーワード:化学繊維ノズル、紡糸ノズル、メルトブローン法、不織布
第 4 章
航空宇宙分野に役立つ

衝撃波を伴う定常流・非定常流の
不足膨張超音速噴流の解明、および擬似衝撃波構造の解明
超音速流中の翼まわりの流れの解明
ジェット推進 ロケット推進 姿勢制御の技術開発
ジェットエンジン排気ノズル 推進ノズルの研究開発
キーワード:超音速流れ、翼まわりの流れ、コアンダ現象、ジェットエンジン排気ノズル、衝撃波

第 5 章
自動車性能改善および関連部品の研究開発

体力学を駆使した自動車関連に関する研究開発
自動車用マフラーの研究開発
自動車用コンバーターの研究開発

自動車デザインの空気抵抗に及ぼす影響
キーワード:自動車まわりの流れ、空気抵抗、自動車用マフラー、自動車用コンバーター

専門分野:機械工学 流体力学 圧縮性流体力学 超音速噴流

著  書: (1)「流れの力学 -基礎と演習- 共著 コロナ社                                                                                       (2)エース機械工学シリーズ 流体の力学 共著 朝倉書店

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近畿大学名誉教授 工学博士 児 島 忠 倫
Dr.Tadatomo Kojima
Doctor of Engineering, Professor Emeritus of Kindai University
 
 

 

 

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