キャビテーション気泡の集合体はクラウドと呼ばれ，集団的なリバウンド挙動を示すことで知られている．特に，クラウドの圧壊時に非常に強力な衝撃波が発生するとされ，実験的観測と数値解析の両面からの詳細な調査による現象のメカニズムの解明は重要な課題として位置付けられている．そこで，本研究では，パルスレーザーの照射により静止流体中への水ジェットの噴射を行い，それに伴って発生するキャビテーションクラウドについて，高速度カメラを用いた観測実験と粒子法を用いた数値解析の両面から現象の詳細な調査を行う．本年度はSPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)法に基づく，気液混合体モデルを用いた二次元の流れ場の解析を実施し，混相流の流れ場の観点からクラウドの初生からリバウンドするまでの非定常挙動，およびクラウドの圧壊に伴う衝撃波の発生と伝播について数値的な調査を行った．令和3年度の主な研究成果としては，（１）水ジェットと双子渦の流れ場の中でクラウドの初生が起き，そして双子渦はクラウドの界面に沿って運動していくこと，（２）双子渦の運動に伴い，クラウド界面の運動が成長から収縮に切り替わり，最終的に全てのクラウド界面が収縮運動を示して激しい圧壊が誘起されること，（３）mmオーダーのクラウドが圧壊することにより，MPaオーダーの衝撃波が複数発生し，媒質の音速に近い速さで周囲に伝播していくこと，以上3点が数値解析の結果より明らかになった．上記の成果については，国際会議にて1件，国内会議にて2件の口頭発表を行っている．特に国際会議における発表ではBest Presentation Awardを受賞し，研究成果が認められている．

高速で運動する液体中では，圧力が飽和蒸気圧まで低下した際に相変化が起こり，クラウドキャビテーションと呼ばれる無数の気泡の塊が発生することがある．クラウドは集団的に成長と圧壊を繰り返すと共に，圧壊に伴って強力な衝撃波が発生することが知られており，その破壊力を用いた工学的応用が医療や環境の分野で進められている．しかし，クラウドの圧壊と衝撃波の放出は非常に高速な現象であるため，その実験的観測は容易ではなく，そのメカニズムは十分に明らかにされていないのが現状である．そこで，本研究では，クラウドの圧壊と衝撃波の発生・伝播の詳細を明らかにすることを目的として，高速度ビデオカメラを用いた超高速度撮影を行う．具体的には，Ho:YAGレーザーを使用したパルスウォータージェットの噴射でクラウドを発生させると共に，シュリーレン法による可視化を行い，撮影速度170万fpsの高速度ビデオカメラを用いてクラウドとその圧壊に伴う衝撃波を撮影した．その結果，申請者らが「クラウドの核」と呼ぶ，クラウドの中でもボイド率の高い領域が完全に圧壊する前に弱い圧力波が放出される様子が観察された．この弱い圧力波の放出は申請者らが先行研究で行った粒子法による数値計算でも確認されており，クラウドの核を構成する気泡や空洞が個別に圧壊することによって発生していると推測される．また，弱い圧力波の放出後，クラウドの核が圧壊が圧壊した瞬間に複数の衝撃波が発生・伝播することが分かった．以上の実験結果は，複数の圧力波・衝撃波が集積することによって強力な衝撃波が形成されることを示唆するものであり，現象解明において重要な知見になると確信している．上記の研究成果は，2025年度の国内会議と国際会議での口頭発表，及び雑誌論文として投稿する予定である．

クラウドキャビテーションは集団的に成長と圧壊を繰り返すリバウンド挙動を示すことで知られ，特に圧壊時に強力な衝撃波を放出するとされている．このような衝撃波現象は流体機械において騒音や振動，壊食といった有害な現象を引き起こす一方で，近年ではパルスウォータージェットメスや水質改善技術等，医療や環境の分野において工学的な応用が進められている．したがって，衝撃波を誘起するクラウドキャビテーションの非定常挙動の詳細を明らかにすることは重要な課題である．しかし，本現象は少なくともマイクロ秒のオーダーの非常に高速な現象であるために，従来の研究では実験的にクラウドの非定常挙動を詳細に観測された例は少ない．特に，クラウドの非定常挙動に伴う流速ベクトル場の変化を観測した例はほとんど見当たらず，クラウドの周囲の流動構造は実験的に明らかにされていないのが現状である．そこで，本研究では，粒子画像流速測定法（PIV法）によるクラウド周囲の流速ベクトル場の計測と観測を行い，クラウドの非定常挙動に伴う流動構造の変化について調査を行った．具体的には，水中パルスウォータージェットの噴射に伴って発生するクラウドを対象として，蛍光PIV法と撮影速度30万fpsの高速度ビデオカメラを用いて粒子画像を撮影し，PIV解析によりクラウド周囲の流速ベクトル場と渦度場の計算を行った．その結果として，クラウドの成長過程において双子渦の流れ場が発生し，そしてクラウドの非定常挙動に伴って運動する様子が観察された．また，申請者のグループがこれまでに実施してきた，SPH法による二次元混相流解析の結果と比較したところ，両者においてクラウドの成長・収縮過程における双子渦の流れ場の運動，およびクラウドの圧壊前後での渦構造の消失と再発生が見られ．数値解析結果と実験結果で観察された流動構造が定性的によく一致することが明らかになった．

キャビテーション気泡の集合体であるクラウドは集団的なリバウンド挙動を示し，圧壊時に衝撃波が発生するとされているが，そのメカニズムは十分に明らかにされておらず，実験と数値解析の両面からの詳細な調査が求められている．本研究では，Ho:YAGレーザーの発射に伴って発生するクラウドの非定常挙動の観測と二次元SPH法による混相流解析との比較・検討を行った．その結果，実験ではクラウドの初生からリバウンドするまでの一連の非定常挙動と圧壊時の衝撃圧の観測に成功した．また，数値解析では，実験で観測されたクラウドの非定常挙動や形状を定性的に再現できており，さらに圧壊時の衝撃圧がオーダーレベルで一致していることが分かった．

キャビテーション気泡の集合体であるクラウドは，集団的な成長と圧壊運動を繰り返すと共に，圧壊時に衝撃波を発生するとされている．本研究では，これらの現象のメカニズムの解明を目的として，静止流体中での液体ジェットの噴射に伴って発生するクラウド現象について，SPH法による二次元混相流解析を行った．その結果，クラウドの発生からリバウンドするまでの一連の非定常挙動の再現に成功し，双子渦がクラウドの界面に沿って運動することにより，クラウドの激しい圧壊へと繋がることがわかった．また，mmオーダーのクラウドが圧壊することによりMPaオーダーの非常に強力な衝撃波が発生し，媒質の音速に近い速度で伝播することが明らかになった．