所報 107

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Cavitation is often observed in hydraulic machinery and causes noise and vibration. Cavitation erosion is a serious prob-lem that leads to a shortened product life. Quantitative prediction of the cavitation erosion is desired, but is impossible experimentally and numerically. Previous works by many researchers have shown that the most destructive damage is caused by the collapse of a cavitation bubble cloud attached to a wall. The present study numerically examined the ef-fect of the collapse of a cavitation bubble cloud in hydraulic fluid on the stress in a solid wall. The bubbles in a bubble cloud are assumed to be spherical and the dynamics of a spherical bubble are described by the Keller–Miksis equation. The thermal damping effect is considered for the bubble oscillation by using a reduced-order model. The translational motion of the bubble is assumed to be non-slip with the surrounding fluid. The bubbly mixture and the bubbles are cou-pled by the Euler–Lagrange method. On the other hand, to represent the stress in a solid due to the collapse of a bubble cloud, the bubbly mixture and the elastic solid are coupled by fluid–structure coupling. The conservation equations for the mass, momentum, and energy for both the bubbly mixture and the elastic solid are solved with an equation of state for hydraulic fluid. Numerical simulations for the collapse of the bubble cloud near the solid wall were performed for various parameters such as the offset distance, initial bubble size, and initial void fraction in the bubble cloud. The re-sults revealed that the collapse of the bubble cloud with a quarter of it attached to the wall caused the highest von Mises stress in the solid. In addition, as the initial bubble decreased and the initial void fraction increased, the peak von Mises stress due to the collapse of the bubble cloud increased. The collapse patterns for various offset distances and the propa-gation of pressure waves and stress waves are also shown in this paper.Keywords : Cavitation, Cavitation erosion, Fluid-Structure coupling, Numerical simulationKohei OKITA, Yuusuke MIYAMOTO, Teruyuki FURUKAWA, Shu TAKAGI　建設機械等の油圧機器においてキャビテーションがしばしば観察され騒音や振動の原因となっている．とくに，キャビテーションによる材料損傷であるキャビテーションエロージョンは製品寿命の低下を引き起こす重大な問題である．このため，キャビテーションエロージョンの定量的な予測が求められているが，実験的にも数値的にも未だ不可能となっている．これまでに多くの研究者らが行った研究によって，壁に付着したキャビテーション気泡クラウドの崩壊が最も破壊的であることがわかっている．本研究では，キャビテーション気泡クラウドの崩壊が固体壁面に生じる応力に及ぼす影響について数値シミュレーションによる解析を行った．気泡クラウドの個々の気泡に対して球形を仮定の下，体積振動をKeller-Miksis方程式によって表現し，次元縮約モデルによって気泡振動における熱減衰の影響を考慮している．また，気泡の並進運動については周囲流体とノンスリップであると仮定し，気泡混合体と気泡はEuler-Lagrange法によりカップリングした．一方，気泡クラウドの崩壊によって生じる固体内の応力を再現するために，気泡混合体と固体に対して流体構造連成解析を適用し，質量，運動量及びエネルギーに対する保存式と油の状態方程式を解いている．気泡クラウドと壁面のオフセット距離や気泡クラウド内の初期気泡径および初期ボイド率をパラメータとして，固体壁近傍での気泡クラウドの崩壊に対する数値シミュレーションを行った．その結果，４分の１が壁に付着した気泡クラウドの崩壊時に固体内に生じるミーゼス応力が最も高くなることがわかった．また，気泡クラウドの初期気泡径が減少し，初期ボイド率が増加するほど，崩壊によるミーゼス応力が増加することがわかった．また，論文ではオフセット距離による崩壊パターンや，液体中の圧力波および固体中の応力波の伝播の様子が示されている．キーワード：キャビテーション，キャビテーションエロージョン，流体構造連成，数値シミュレーションJournal（掲載誌）International Journal of Multiphase Flow, Vol. 150, 103965 May 2022.－　　－5油中キャビテーション気泡クラウドの崩壊によって引き起こされる 固体壁面内の応力に関する数値解析Numerical study on stress in a solid wall caused by the collapse of a cavitation bubble cloud in hydraulic fluidPublished Paper