マイクロスケール空間における臨界点近傍流体の特異なメカニズムの解明

• Project/Area Number: 17656062
• Research Category: Grant-in-Aid for Exploratory Research
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Fluid engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山本 悟 Tohoku University, 大学院・情報科学研究科, 教授 (90192799)
• Project Period (FY): 2005 – 2007
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2007)
• Budget Amount: ¥2,900,000 (Direct Cost: ¥2,900,000); Fiscal Year 2007: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000); Fiscal Year 2006: ¥900,000 (Direct Cost: ¥900,000); Fiscal Year 2005: ¥1,000,000 (Direct Cost: ¥1,000,000)
• Keywords: 数値解法 / 超臨界流体 / マイクロスケール / 臨界点近傍 / レイリーベナール対流 / 前処理法 / PROPATH / 圧縮性熱対流 / 二酸化炭素 / Peng-Robinson EOS

Research Abstract

本研究では、マイクロスケール空間内における臨界点近傍の超臨界流体を正確に計算することができる数値解法を構築して、狭い空間を極めて遅い速度で対流する超臨界流体が、主流温度・圧力ならびに温度境界条件を変化させることにより、熱物性が特異に変化し密度変化が顕著な圧縮性流れになることを数値計算により明らかにすることである。今年度においては、以下の研究を実行した。
1)極低温状態で超臨界になる、窒素とヘリウムについてRayleigh-Benard対流を計算して、その特異性について検証した。その結果、それぞれの流れ場はまったく異なるものとなり、特にヘリウムにおいては、対流がほとんど起こらない熱伝導が卓越した流れ場になることがわかった。
2)マイクロスケール熱交換器内における超・亜臨界二酸化炭素の自然対流を計算して、その流れ場を検証した。その結果、超臨界状態と亜臨界状態における著しい密度差によるかなり高速の自然対流場を形成する可能性が示され、新たな発想による熱交換器の創成に繋がる画期的な知見を得ることに成功した。
これらの研究成果は、6月に開催される計算力学ヨーロッパ会議(ECCOMAS)ならびに数値流体力学国際会議(ICCFD)にて発表する予定である。また、Int. J. Heat and Mass Transfer、ならびに日本機械学会論文集に論文を投稿中である。

Research Products

• [Journal Article] A Supercritical-fluids Simulator Applied to Flows of Arbitrary Substance in Arbitrary Conditions (2007)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proc. 5th Joint ASME_JSME Fluids Engineering Conference FEDSM2007-37154 Pages: 1-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Supercomputing of Flows with Complex Physics and the Future Progress (2007)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proc. 5th Teraflops Workshop, High Performance Computing on Vector Systems 2007 I Pages: 61-69
• [Journal Article] 任意物質の熱流動が計算できる前処理型数値解法の開発 (2007)
  • Author(s): 古澤卓
  • Journal Title: 第85期日本機械学会流体工学部門講演会講演論文集 I Pages: 1-6
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] A Supercritical-fluids Simulator Applied to Flows of Arbitrary Substance in Arbitrary Conditions (2007)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceeding of 5th Joint ASME_JSME Fluids Engineering Conference FEDSM2007-37154(CD-ROM)
• [Journal Article] Numerical and Experimental Predictions of Heterogeneous Condensate Flow of Moist Air in Cooled Pipe (2006)
  • Author(s): Kei Sakakura
  • Journal Title: International Journal of Heat and Fluid Flow 27-2 Pages: 220-228
• [Journal Article] Numerical Method for Near-critical Fluids of Arbitrary Material (2006)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Proceedings of 4th International Conference on Computational Fluid Dynamics-Ghent (印刷中)
• [Journal Article] 任意物質の超臨界流体シミュレータ (2006)
  • Author(s): 石亀晃
  • Journal Title: 第84期日本機械学会流体工学部門講演会論文集 (CD-ROM)
• [Journal Article] 超臨界流体シミュレータの常圧環境への拡張性 (2006)
  • Author(s): 矢野慎一
  • Journal Title: 第84期日本機械学会流体工学部門講演会論文集 (CD-ROM)
• [Journal Article] 超臨界流体シミュレータによる常温常圧物質流動の数値計算 (2006)
  • Author(s): 矢野慎一
  • Journal Title: 第20回数値流体力学シンポジウム論文集 (CD-ROM)
• [Journal Article] Preconditioning Method for Condensate Fluid and Solid Coupling Problems in General Curvilinear Coordinates (2005)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: Journal of Computational Physics 207-1 Pages: 240-260
• [Journal Article] Proconditioning Method applied to Near-critical Carbon-dioxide Flows in Micro-channel (2005)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: JSME International Journal 48-3 Pages: 532-539
• [Journal Article] Computation of Practical Flow Problems with Release of Latent Heat (2005)
  • Author(s): Satoru Yamamoto
  • Journal Title: ENERGY 30 Pages: 197-208
• [Journal Article] 二次元自然対流問題による前処理型陰的流束分離スキームの検証 (2005)
  • Author(s): 坂倉圭
  • Journal Title: 日本機械学会論文集B編 71-709 Pages: 2213-2217
• [Journal Article] Preconditioning Method for Very Slow Flows with Heterogeneous Condensation in Mixing T Junction Channel (2005)
  • Author(s): Kei Sakakura
  • Journal Title: Proceedings of ASME Fluids Engineering Summer Conference FEDSM2005-77073 Pages: 1-6
• [Presentation] 任意条件における任意物質流体が計算できる数値解法 (2007)
  • Author(s): 古澤卓
  • Organizer: 第21回数値流体力学シンポジウム
  • Place of Presentation: 東京
  • Year and Date: 2007-12-21