Elucidation of ice slurry flow with heat transfer by microscopic approach including solid-liquid phase change
| Project/Area Number |
21K03873
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Shinshu University |
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Principal Investigator |
吉野 正人 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)
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| 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)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2022)
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| 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)
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| Keywords | 格子ボルツマン法 / 氷スラリー / 固液二相流 / 融解・凝固 / 相変化 |
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| 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．
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| Outline of Annual Research Achievements |
固液相変化モデル（融解・凝固モデル）の構築とそれを伴う熱流動解析手法の開発を行った．本研究では，応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界－格子ボルツマン法に，温度の計算と融解・凝固による境界の移動計算を導入し，融解・凝固を伴う熱流動問題を解析するための手法の開発を行った．
まず，実装した融解・凝固モデルの妥当性検証として，一次元半無限領域，二次元正方形領域，二次元円管領域，および三次元半無限領域における問題の計算を行った．その結果，固相が自由運動しない場合では既存の結果と良く一致することがわかった．一方，固相が自由運動する場合では，固相にはたらく流体力の差に起因する結果の相違が見られた．ただし，比較した参照データは，内部質量の影響を計算していないため，流体力を正しく評価できていないことが考えられることに注意が必要である．
次に，構築した融解・凝固を伴う熱流動計算法を氷スラリー（微細な氷と液体の固液二相混合物）の熱流動問題に適用した．二次元正方領域内に氷粒子（一定の低温条件）を一個配置し，壁面となる境界には一定の高温条件，流れ方向の入口・出口間には圧力差を伴う周期境界条件を用いることで，発熱する二次元流路内を氷スラリーが流動する様子を再現し，計算を実行した．その結果，流路幅および空塔速度で無次元化した時刻が450の時，氷粒子の質量は初期に比べて約45%減少した．また，融解による固相の変形がない場合と比較して，氷粒子の重心は流路中心に向かうことがわかった．さらに，壁面上の空間平均ヌッセルト数は若干低下する結果となった．これは，氷粒子の表面積が減少したことや，熱源である壁面から遠ざかったことが原因と考えられる．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
構築した融解・凝固モデルは，固相が自由運動する場合においてさらなる検討が必要であるが，概ね確立したと言える．
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| Strategy for Future Research Activity |
構築した融解・凝固を伴う熱流動解析手法を三次元に拡張し，大規模並列計算用の固液二相系埋め込み境界－格子ボルツマン計算コードを作成する．また，氷スラリー流れの三次元熱流動シミュレーションを実施し，氷粒子が流れる空間的位置と熱伝達特性の関係を明らかにする．
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Report
(2 results)
Research Products
(21 results)
