Development of mechanistic CHF model in subcooled flow boiling

• Project/Area Number: 22K03940
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19020:Thermal engineering-related
• Research Institution: The University of Electro-Communications
• Principal Investigator: 大川 富雄 電気通信大学, 大学院情報理工学研究科, 教授 (20314362)
• Project Period (FY): 2022-04-01 – 2025-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2023)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2024: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2023: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2022: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
• Keywords: 強制対流サブクール沸騰 / 限界熱流束 / 機構論的予測 / 強制対流沸騰 / サブクール沸騰 / 実験 / モデリング

Outline of Research at the Start

強制対流サブクール沸騰における限界熱流束(CHF)の予測では、小気泡の合体により形成される大気泡と加熱壁の間に薄液膜が形成され、これが消失すると壁温の急上昇を開始すると仮定することで、広範囲の実験条件で得られたCHFデータをよく予測することが知られている。本研究では、先進的実験・計測技術を用いて、薄液膜厚さ等を計測するとともに、実験データに裏打ちされた高信頼性のCHF予測モデルを開発する。

Outline of Annual Research Achievements

強制対流サブクール沸騰における限界熱流束（CHF）の機構論的予測では、小気泡の合体により生じる大気泡と加熱壁の間に薄液膜が形成され、これが消失すると壁温の急上昇を開始するとの仮定が用いられる。これをLiquid Sublayer Dryoutモデル（以下LSDモデルと称する）と呼び、広範囲の実験条件で得られたCHFデータをよく予測することが知られている。ここで、LSDモデルに基づくCHFの予測では、大気泡長さLB、大気泡上昇速度UB、薄液膜の厚さdの三つを適切に与える必要があるが、これらの物理量に関する実験情報は現状では皆無に近い。このため、透明伝熱面、IRカメラ、高速度カメラ、レーザー変位計を用いた強制対流サブクール沸騰実験設備を構築し、CHF状態に移行するときの熱流動状態がLSDモデルの想定と整合することを確認した。また、LSDモデルの根幹となる三つの物理量を計測を実施した。ここで、LBとUBは高速度カメラを用いて比較的容易に計測可能だが、dの予測はきわめて困難である。このため、レーザー変位計と高速度カメラを同期させて同時計測を実施し、液流量、液サブクール度、熱流束等の基本的な実験条件の変化に伴うdの変化傾向を把握することに成功した。LSDモデルが必要とする三つの物理量について信頼に足る実験データの収集が出来る見通しが得られたことから、今後、実験データベースを構築作業を進めるとともに、LSDモデルに基づく強制対流サブクール沸騰CHFの機構論的予測手法の開発を行う。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

Liquid sublayer dryoutモデル（LSDモデル）に基づく限界熱流束（CHF）の機構論的予測の実現に向けて、強制対流サブクール沸騰中におけるCHF状態への移行メカニズムがLSDモデルの想定と一致することを確認するとともに、LSDモデルに基づくCHF予測で重要となる三つの物理量、すなわち、大気泡長さ、大気泡上昇速度、薄液膜厚さの計測に成功した。今後、より広い実験条件で計測を実施して実験データベースを構築するとともに、真に機構論的なLSDモデルを開発する準備が整ったことから、本研究課題は、当初の計画通りに進行していると言える。

Strategy for Future Research Activity

強制対流サブクール沸騰中におけるCHF状態への移行メカニズムがLiquid sublayer dryoutモデル（LSDモデル）の想定と一致することを確認するとともに、LSDモデルに基づくCHF予測で重要となる三つの物理量、すなわち、大気泡長さ、大気泡上昇速度、薄液膜厚さの計測に成功した。今後、より広い実験条件で計測を実施して実験データベースを構築するとともに、真に機構論的なLSDモデルの開発を行う。