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Gas-liquid interfacial flows, such as liquid film flows (also known as wetting flows on plates), are encountered in many industrial processes including absorption, distillation and so on. The present study focuses on detailed descriptions of the flow transition phenomena between the film flow and the rivulet flow, as well as how such phenomena are affected by wall surface texture treatments.This study develops a numerical simulation technique using Computational Fluid Dynamics (CFD) with the Volume of Fluid (VOF) model as well as a lab-scale experimental testing technique. As the liquid flow rate is increased and then decreased, a hysteresis of the transition between the film flow and the rivulet flow is discovered, which implies that the transition phenomenon depends primarily on the history of the change of interfacial surface shape. Further study on the effect of texture geometry shows quantitatively that surface texture treatments added on the plate can help to prevent the liquid channeling and can increase the wetted area. The main reason for increasing the wetted area on the wavy surface is that the liquid film break-up is inhibited due to the liquid holding on the plate and the spreading of the liquid flow in spanwise direction by the wavy surface geometry. Additionally, the simulation results agree well with the experimental results in terms of the gas-liquid interfacial surface shape and the wetted area in the transition region between the film flow and the rivulet flow. Keywords: Gas-liquid interfacial flow, Wetting flow, Film, Rivulet, Transition, Surface texture 1. 緒 言 液膜流のような気液界面流は、吸収塔や蒸留塔 などの気液接触を行うプロセスで多く用いられ る。これらの機器では、気液接触面積や気液間物 質移動速度を増加させる目的で、塔内に充填物を 設置して気液界面流を制御することが重要にな る。充填物を備えもつ充てん塔では一般的に、液 体を充填物の上方から供給して充填物表面に沿 って流下させるとともに、気体を充填物の下部か ら供給して、気体と液体とを接触させる。運転条 件として液流量が少ない場合には、充填物上で液 膜流が破断や偏流(チャネリング)して液柱流や 液滴流が形成され、気液接触面積が著しく減少す る場合がある。そこで本研究では、充填物として 用いられる規則充填物を模擬し、傾斜板上での気 液界面流に着目する。 従来、液膜流に関する理論的な研究が行われて おり、二次元場での液膜厚さや液流速分布などが 数式化されている[1-3]。ただし、二次元場での 理論解析では、液膜流の三次元的な流動に対して 壁面の微細加工が及ぼす影響が明らかになって いない。一方、実験的な研究では、充填物形状や  磯 良 行 ** 佐 賀 真 子 ** 黄 健 ** 松 野 伸 介 ** ISO Yoshiyuki SAGA Mariko HUANG Jian MATSUNO Shinsuke abcdeff a !"#$a %&!'() b #*+ , ab cd -. / 012345 6a 78 9: ;< = > 34?" @A,B CDE FG !'()HI BC,Ja KL 4M NOP 34?" ?& Q !'( )HI R&SbTU,Na VWX b ,OY!'()HI Z[D\b ]" ,Ja ^_Xb `ghijklmno Q pqrs tCuvwxyz{|}~ z~ 6a =9:z e  " f =  !" ¡ ¢ > r£ VW FG, ¤¥ O¦, !'() HI, a§ ̈ ©abr£>, «¬­ ab ® ̄æ/°± 2b 3 ́!"zμ¶ ̄æ !" · ̧ Raμ¶ r£/1o»1⁄41⁄2 6a 3⁄4 ¿ $aμ¶ r£/ÀÁÂ,OY Ã ¿ ÄgÅÆÇÈÉÊËÌÍÎÅÆÏÐhiÑhiÒÓ ÄgÔ hiÕo Ö× ØDÙ $D ÚÛw 05,ØD ÚÛwÜÝ ÞYß« 01àáâ 345 r£ ã¡z$ Dãä\ 345 å çè éfêë¢ ì3íÖ îï ð + ñ34DE òó +ôæõö÷,345 ì3í +ÞY r£ ø34ù( 34ù( ,() \ú\ û !" ̄æ SN 34üý /þ¢ = ÿ üý,ßff abø3 4r£ a Äg` hiÆ 34r£ ø34r£ û !" õBC abcdef, X !"/ !" , Xb z!"   ab 34 û/r£,O+ õö #, æ G fëõö r£ 34 .cf @, 34r£ ì3õö!"÷ ,#$ 01% &',( () abcdef * +b,+ S-. / -.å 0 fõö÷,1ñÞY &' û NOP!" 2 Xb &' 3× ð ØD 4 345 3× ð &' 563 4?" (789:  ac;,&' 5634?" <20 345 3×, X 34 =>õz345 ?@ ßA BCD+Ja /ab a \ r£# 345îï +?@,Aß&,J\ 34?" ab \/ E,.F O¦,cf G,Na /345H o î èIJ K7L 2b acd D \bO¦,MNõö,34Xbr£® æ S b ,Ob acdOPQ|RO|SOTUTVVRTWPU|UXUVRTWPU Y|Z~PQT~Pz[RTWPUVRT VRPPWOU T~UYOXP\|~]̂ ZPROPUS_̀ acfOPQ|RO|SOTUTVVRTWPU|UXUVRTWPU Y|Z~P TUPUSR|SOTUz[RTWPU VRT VRPPWOU T~UYOXP\|~]̂ ZPROPUS_̀ g|Z|UPYPg̀~SOZ"|YP[~T\ hT~̀i {T̀fzfã 40 流動条件を変化させて、気液間物質移動速度の計 測や推算式の導出が行われている[4-10]。しかし、 これらの研究は固有の装置形状や実験条件に依 存しており、気液流動現象と気液間物質移動との 関連性を詳細に解明するための基礎的な知見は 少ない。近年、数値流体解析(Computational Fluid Dynamics: CFD)を用いて、傾斜板や充填物での 気液流れの数値解析が行われており、液膜の形状 や厚さ、濡れ面積、液ホールドアップ、気相の圧 力損失、液物性の液流れへの影響、などの予測結 果が報告されている[2, 11-16]。さらに、単一の 液体だけでなく、二つの異なる液体が混在する液 膜流に対して、CFD による予測を行った研究例も あり、液膜流のチャネリングが液流れの三次元性 に強く依存することが示された[17-19]。 このように理論解析、実験、数値解析によって 有益な知見が得られているが、液膜流の破断やチ ャネリングで重要となる液膜流と液柱流の間の 遷移現象を調べた研究は少ない。 そこで本研究では、傾斜板での液膜流を対象に、 界面追跡法による数値解析および可視化による 濡れ面積計測の実験を行い、液膜流と液柱流の遷 移現象や、壁面微細凹凸による濡れ面積の変化を 調べる。

Flow Transition Behavior between the Liquid Film Flow and the Liquid Rivulet Flow on an Inclined Plate