遷臨界域流体の急速過渡伝熱特性を利用した伝熱制御に関する研究

1995 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 06452179
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 相原 利雄 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90006172)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 印南 幸夫 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (50271987) ; 宇角 元亨 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (30006184) ; 小原 拓 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (40211833)
• Keywords: 遷臨界域流体 / 伝熱制御 / 過渡伝熱 / 実験 / 分子動力学 / 二酸化炭素

Research Abstract

流体の熱物性値が臨界点において著しい温度・圧力依存性を示すことを利用して、超臨界圧流体に能動的伝熱制御の手法を開発することを目的に、本年度は以下の研究を実施した。
1.遷臨界域における沸騰から自由対流への遷移を明らかにすることを目的に、臨界点極近傍の圧力において加熱細線とCO_2を用いた詳細な実験を行った。この結果、亜臨界圧における核沸騰・膜沸騰と同様に、超臨界圧においても核沸騰もどきから膜沸騰もどきへの遷移が存在することを見い出し、この点で亜臨界・超臨界における現象の明確な区別は存在しないことを明らかにした。また、臨界点極近傍において有効な限界熱流束モデルを提示した。
2.圧力変化を利用した能動的伝熱制御の可能性を探るため、減圧による熱伝達特性の変化について実験を行ない、熱物性値を広い範囲で変化させることにより伝熱特性を制御できることを明らかにした。
3.超臨界圧流体の非定常伝熱特性について、全ての物性値変化や密度の変化による対流の発生など全ての要因を考慮した詳細な差分法数値解析を行い、急速な加熱に伴うピストン効果により流体温度の上昇が早くなることなどを明らかにした。また、二次元キャビティ内の自由対流熱伝達について、適当な平均物性値を使用することにより従来の定物性解を使えること、それにもかかわらず、局所熱伝達特性に関しては、本物性解と著しく異なることがわかった。
4.分子動力学法数値解析により、遷臨界域での単純流体の疑似界面構造や水の水素結合ネットワークの動的構造などを明らかにした。

Research Products

• [Publications] Toshio Aihara: "Free-Convection Heat-Transfer from a Step-and Pulse-Heated Wire in Supercritical Fluid" Proc.4th ASME/JSME Thermal Engineering Joint Conference. 1. 179-184 (1995)
• [Publications] Taku Ohara: "Molecular Dynamics Study on Hydrogen Bond and Cluster Formation in Water" Proc.4th ASME/JSME Thermal Engineering Joint Conference. 2. 549-556 (1995)
• [Publications] 小原拓: "水の水素結合に関する分子動力学的研究(第1報、結合数及び寿命の温度・密度依存性)" 日本機械学会論文集B編. 61-582. 592-598 (1995)
• [Publications] 小原拓: "水の水素結合に関する分子動力学的研究(第2報、水素結合ネットワークの解析)" 日本機械学会論文集B編. 61-583. 1107-1113 (1995)
• [Publications] Taku Ohara: "Molecular Dynamics Study on Phase Change and Cluster Formation in Fluids" Thermal Science and Engineering. 3-3. 7-13 (1995)
• [Publications] 小原拓: "流体の臨界点極近傍における分子クラスター形成" 日本機械学会平成7年度熱工学部門講演論文集. 95-54. 108-109 (1995)
• [Publications] 丹波純: "臨界点近傍の二酸化炭素の非定常熱伝達(伝熱面温度変化率一定の場合)" 第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集. III. 697-698 (1995)
• [Publications] 渋谷賢一: "遷臨界域流体の異常対流現象に関する研究" 日本機械学会一関地方講演会講演論文集. (1995)