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Elucidation of ice slurry flow with heat transfer by microscopic approach including solid-liquid phase change

Research Project

Project/Area Number 21K03873
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 19010:Fluid engineering-related
Research InstitutionShinshu University

Principal Investigator

YOSHINO Masato  信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)

Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) 鈴木 康祐  信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (10735179)
浅岡 龍徳  信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30508247)
Project Period (FY) 2021-04-01 – 2024-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2021: ¥650,000 (Direct Cost: ¥500,000、Indirect Cost: ¥150,000)
Keywords格子ボルツマン法 / 氷スラリー流 / 固液二相流 / 融解・凝固 / 相変化 / 平均ヌッセルト数 / 壁面ヌッセルト数 / 氷粒子クラスタ― / 氷スラリー
Outline of Research at the Start

(1)融解・凝固などの固液相変化を考慮した熱移動解析モデルを開発し,計算効率の高い固液二相系の埋め込み境界ー格子ボルツマン法(固液二相系熱IB-LBM)を確立する.
(2)開発した計算コードを用いて,次世代の熱輸送媒体である氷スラリー(氷と液体の固液混相流)の熱流動シミュレーションを実施する.
(3)数値計算結果をもとに,粒子の空間的位置と熱流束の関係について考察し,
固体粒子が含まれることによる熱伝達性能の向上について,そのメカニズムを明らかにする.

Outline of Final Research Achievements

We constructed a numerical model for simulation of melting and solidification, and then developed a thermal immersed boundary-lattice Boltzmann method with solid-liquid phase changes. First, using this method, we calculated heat-transfer (Stefan) problems, demonstrating the validity of the method in comparison with a reference solution by the finite-difference method. Next, we applied the method to ice slurry flows in a circular tube, where numerous spherical particles were subjected to the particle-particle and particle-wall adhesion models. We investigated the effects of the aggregated particles (clusters) on the flow characteristics and temperature fields as well as the space-averaged Nusselt number. Also, taking account of buoyancy effect, we computed how the particles were distributed in the radial direction of the tube. Finally, on the basis of these results, we discussed the characteristics of flow and heat transfer from the microscopic point of view.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

本研究で開発した熱流動計算法は,複雑流れに対してもアルゴリズムが簡単な格子ボルツマン法と,任意形状の境界を扱う問題に対して複雑なメッシュ生成が不要な埋め込み境界法を組み合わせた計算効率の高い手法であり,これに融解・凝固の固液相変化を組み込んだ計算手法はこれまでにあまり例がなく,学術的な意義は大きい.また,固体粒子一つ一つを十分な空間解像度で表現することが可能であることから,氷スラリーのような移動境界を伴う熱流動問題の計算に対して有効である.

Report

(4 results)
  • 2023 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2022 Research-status Report
  • 2021 Research-status Report
  • Research Products

    (30 results)

All 2024 2023 2022 2021

All Journal Article (5 results) (of which Peer Reviewed: 5 results,  Open Access: 4 results) Presentation (24 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Invited: 1 results) Book (1 results)

  • [Journal Article] アイススラリーの流動様相に及ぼす気泡と水溶液濃度の影響2023

    • Author(s)
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      Volume: 40

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      原崎太希、浅岡龍徳
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      日本冷凍空調学会論文集

      Volume: 40

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    • Author(s)
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • Journal Title

      計算数理工学論文集

      Volume: 22 Pages: 61-72

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  • [Journal Article] Sensitivity to the application range of buoyancy force in the diffuse-interface immersed boundary method2022

    • Author(s)
      ENDO Madoka、SUZUKI Kosuke、YOSHINO Masato
    • Journal Title

      Journal of Fluid Science and Technology

      Volume: 17 Issue: 4 Pages: JFST0015-JFST0015

    • DOI

      10.1299/jfst.2022jfst0015

    • ISSN
      1880-5558
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  • [Journal Article] Particle-resolved simulations of ice slurry flows in a square duct by the thermal immersed boundary-lattice Boltzmann method2021

    • Author(s)
      Suzuki Kosuke, Kuroiwa Takuya, Asaoka Tatsunori, Yoshino Masato
    • Journal Title

      Computers & Fluids

      Volume: 228 Pages: 105064-105064

    • DOI

      10.1016/j.compfluid.2021.105064

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  • [Book] An Introduction to the Lattice Boltzmann Method: A Numerical Method for Complex Boundary and Moving Boundary Flows2021

    • Author(s)
      Takaji Inamuro, Masato Yoshino, Kosuke Suzuki
    • Total Pages
      172
    • Publisher
      World Scientific Publishing Co. Ltd.
    • ISBN
      9789811240515
    • Related Report
      2021 Research-status Report

URL: 

Published: 2021-04-28   Modified: 2025-01-30  

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