貞弘修男 羽田野・朝位研−7 気泡を含む噴流が再曝気係数に及ぼす影響 水圏環境工学研究室 貞弘 修男 １．緒論 海洋や海岸では、砕波による再曝気が水質や水中の バルブ ｈ エアレーション ポンプ ＤＯメーター って重要ではなく、 水表面が水中にもぐってしまう （水 ｍ ノズル ｃ を与えているという説と、気泡そのものは再曝気にと 表面のオーバーターン） 効果が重要だという説がある。 10 泡を生じるが、この気泡の存在が再曝気に大きな影響 48.5cm 生態系に重要な役割を果たしている。砕波では必ず気 50ｃｍ 100ｃｍ いずれにせよ気泡が再曝気に果たす役割を明らかにす 図−１ 実験装置の概略図（気泡プルーム） ることは重要なテーマである。 本研究では、気泡と再曝気との関連の解明の第一段 階として、気泡プルームと液相だけの噴流が再曝気に ＤＯメーター バルブ ｃ ノズル ｍ クリル製の水槽を用いて行った。水深は 40ｃｍ、20 10 実験は幅 10ｃｍ、長さ 100ｃｍ、高さ 48.5ｃｍのア ポンプ ｈ ２．実験方法及び実験条件 48.5cm 与える影響の相違について検討を試みた。 50ｃｍ ｃｍの二種類にした。 100ｃｍ 触媒として塩化コバルトを微量水中に溶かし、そこ に亜硫酸ナトリウムを適量加えて、水中のＤＯ濃度を 図−２ 実験装置の概略図（噴流） 10ｍｍ 低下させた。ＤＯメーターは水槽の底に設置した。 59ｍｍ を起こす方法と、ポンプで液相の噴流を起こす方法の 7ｍｍ 14ｍｍ 二種類行った。本研究で用いた実験装置の概略を図− １，２に示す。またその時用いたノズルの概略図を図 −３に示す。 それぞれバルブを調節して流速を変化させて実験 28ｍｍ 実験はエアレーションポンプを用いて気泡プルーム 36ｍｍ 28ｍｍ 18ｍｍ 14ｍｍ 50ｍｍ Ａ を行った。その組み合わせ条件を表−１に示す。 Ｂ ３ ．ガス交換係数ｋL の算出方法 Ｊ 図−３ ノズル概略図 DＯ濃度の時間回復曲線から再曝気係数ｋ2 が算定 表−１ 実験条件 できる。さらに式（1）からガス交換係数ｋＬが求まる。 k2 V = k2h = kL A ｋ2：再曝気係数［1/s］ （1） 水深(cm) A 気泡 B 40cm ｋL：ガス交換係数［cm/s］ V：水槽内の水の体積［cm3］ A：水表面積［cm2］ ノズル・噴流口 流速(cm/s) 空気量(cm3/s) バブル径 21.53 1.792 8.5 6.68 1.598 a 18.8 28.08 2.341 B 10.4 9.17 2.193 39.3 噴流 J A 20cm 噴流 A b C 31.7 c 15.6 cc 16.7 21.37 1.72 13.5 6.67 1.59 d B 27.1 28.35 2.51 E 10.2 9.15 1.96 J 39.3 F 15.6 f 気泡 ｈ：水深［cm］ case 16.3 D e 貞弘 ４．実験結果 修男 羽田野・朝位研−8 0.014 Eckenfelder は気泡によるガス交換係数推定式とし 0.012 0.01 て次式を提案している。 2 Cl 3 Qa kL = ADa S c0.5 kL （2） 0.008 0.006 0.004 C：定数［cm2］ 0.002 ｌ：水面からノズルまでの水深［cm］ 0 0 Qa：空気量［cm3/s］ 500 1000 1500 2 h 3 Qa Da Da：バブルの平均径［cm］ 図−４ ｋL と h Sc：シュミット数 2 3 Qa Da の関係 2 本実験では C，A，Sc は一定であるのでｋL と h 3 Qa 0.0008 Da の関係を図−４に示した。尚、ここではｌの代わりに 0.0006 水深ｈを用いた。この図より今回の実験で 0.0005 Eckenfelder の式が有効であることがわかる。ガス交 換係数ｋＬは、水深の 2/3 乗，空気量に比例し、バブル ○Da=1.6〜1.8(mm) h=40 0.0007 k%L △Da=2.2〜2.3(mm) h=40 0.0004 ●Da=1.6〜1.7(mm) h=20 0.0003 0.0002 径に反比例することがわかる。 ▲Da=2〜2.5(mm) h=20 0.0001 Rｅと k%L を式（3）の様に定義する。Rｅと k%L の関係 ■噴流 h=20 0 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Re を図−５に示す。 Re = wl ν k k%L = L w □墳流h=40 図−５ Rｅと k%L の関係 （3） 45 Ｒe：レイノルズ数 cm 40 ｗ：水槽中心の水深 14cm の鉛直方向流速［cm/s］ 35 ｌ：ノズルから流速計測点までの距離［cm］ 30 ν：水の動粘性係数［cm2/s］ 25 20 k%L ：無次元ガス交換係数 15 10 これより噴流は気泡プルームに比べてガス交換係 5 10cm/s 0 ‑30 数が小さい事がわかる。 ‑25 ‑20 ‑15 ‑10 ‑5 0 5 10 15 20 25 30 cm caseＢにおける流速分布と caseｃにおける流速分 図−６ caseＢにおける流速分布 45 布をそれぞれ図−６,７に示した。 ここでは水槽の底の cm 40 中心部分を原点としている。気泡プルームにおいては 35 浮力の影響を受けるので、水表面近くでも比較的大き 30 25 な流速を維持している。一方噴流は運動量が拡散する 20 ため、上昇するほど流速が減少している。このことが 15 再曝気に大きな相違を与えた原因と思われる。 10 ５．結論 5 10cm/s 0 ‑30 今回の実験条件においては、液流だけの噴流に比べ ‑25 ‑20 ‑15 ‑10 ‑5 0 5 10 15 20 25 30 cm て気泡を含む流れの方が、ガス交換を効率良く行って 図−７ caseｃにおける流速分布 いることが分かった。しかし今回の実験結果からだけ とは言い難い。今後も条件を変えて実験を行う必要が では、気泡が再曝気に果たす役割を十分に解明できた ある。
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