2021 Fiscal Year Annual Research Report
大型プラント内の異常高温排熱塊の発生要因解明とモデル化
| Project Area | Micro-meteorology control: Integrated technology of harmonic prediction and active monitoring of micro-meteorology for future autonomous society |
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| Project/Area Number |
20H05754
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| Research Institution | Nagoya University |
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Principal Investigator |
渡邉 智昭 名古屋大学, 工学研究科, 准教授 (70772292)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
長田 孝二 名古屋大学, 工学研究科, 教授 (50274501)
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| Project Period (FY) |
2020-10-02 – 2023-03-31
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| Keywords | 微気象 / 流体工学 / Hot Air Recirculation / プラント / 数値シミュレーション |
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| Outline of Annual Research Achievements |
大型プラント内の列をなした熱交換器において、高温排熱気塊が風下側の熱交換器や各種装置に吸い込まれる事により装置の性能低下を引き起こすHot Air Recirculation（HAR）と呼ばれる現象が問題になっている。微気象情報を基にHAR現象を予測し各プラント運用を最適化することにより、HAR現象に起因するプラント運用効率の低下を防ぐことができると期待される。HAR発生メカニズムと支配パラメータを解明することを目的として、排熱源をモデル化した流れの直接数値計算（DNS）およびラージエディシミュレーション（LES）を実施した。本年度は旋回を伴う高温流体が気流中に噴出する流れを対象とした。数値計算コードには前年度構築した乱流の大規模並列計算コードを使用した。旋回強度の異なる条件に対して計算を実施し、旋回流により排熱源からの上昇流が崩壊することで地表付近に高温流体が留まり、HARを引き起こしうる高温流体塊が水平方向に移流されることが明らかとなった。熱交換器が誘起する流れは乱流へと遷移し、高温局所乱流塊が生成される。仮想プラントに対する数値実験で見られた乱流塊の空間発達や安定密度成層下の乱流熱拡散を、乱流構造に着目した解析により明らかにした。さらに、実気象条件下における排熱拡散現象を明らかにするため、ビルに設置された熱交換器からの排熱観測実験を実施した。排熱流の可視化などにより、微気象シミュレーションを活用した排熱拡散予測の精度検証に必要なデータを取得した。さらに、微気象情報に基づくHAR抑制手法の確立に向け、実プラントで使用される熱交換器を模擬した小型模型を製作し、誘起される流れの基本特性を調査した。
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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
プラント熱交換器からの排熱を模擬した流れの数値シミュレーションにより、HAR発生要因となり得る現象の一つを明らかにすることに成功した。また、仮想プラントの数値シミュレーションで見られた非等方的な高温流体塊の生成や高温局所乱流塊の成長などを、熱拡散を伴う乱流の数値シミュレーションにより明らかにした。これらの成果がPhysics of FluidsやJournal of Fluid Mechanicsなどの査読付国際学術誌に掲載されている。さらに、熱交換器により誘起される流れの観測実験を実施したことで、予測班との連携の下で微気象シミュレーションによる排熱拡散の予測精度を検証する準備が整った。こうした本研究課題の取組について「微気象制御学」領域シンポジウムにて紹介した。
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| Strategy for Future Research Activity |
実プラントで使用される熱交換器の設計・配置情報に基づき、熱交換器群モデルからの排熱拡散の数値シミュレーション（DNS・LES）を実施し、HARを引き起こす流体現象を明らかにする。本数値計算データベースや熱交換器排熱の観測実験結果を調和的予測班に提供し、MSSG微気象シミュレーション技術による排熱拡散の予測精度を検証する他、HAR予測に必要な時空間分解能の同定を進める。さらに、熱交換器模型を用いた風洞実験により、様々な気流条件下において熱交換器が誘起する流れの特性を明らかにし、微気象データに基づくHAR抑制手法の検討を進める。
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