全ての流動様式に適用できる一次元垂直管内非定常気液二相流モデルの構築

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08455093
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 坂口 忠司 神戸大学, 工学部, 教授 (50031076)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 細川 茂雄 神戸大学, 工学部, 助手 (10252793) ; 冨山 明男 神戸大学, 工学部, 助教授 (30211402)
• Keywords: 気液二相流 / 垂直管 / 二相流モデル / 流動様式 / 気泡流 / スラグ流 / 流動様式遷移 / 統計的変動量

Research Abstract

気液二相流では、気相および液相の流量条件により、さまざまな流動様式が現われ、その流れを支配する物理現象は各々の流動様式で異なっている。このため、従来の気液二相流モデルは、各々の流動様式毎に構築されてきた。本研究では、限られた流動様式における気液二相流モデルではなく、垂直管内で生じる様々な流動様式すべてに適用できる気液二相流モデルの構築を目的としている。垂直管内の気液二相流では、気相の流量が増加するに従い、気泡流、スラグ流、チャーン流、環状流と流動様式が遷移していく。これらの遷移過程で、支配因子が大きく変化する遷移の一つとして、気泡流からスラグ流への遷移である。そこで、本年度は、気泡流からスラグ流への遷移過程に特に重点をおいて研究を行った。本年度は、まず、全流動様式を実現可能な垂直管内気液二相流実験装置を製作した。また、管内の流動様式について、可視化と流動様式の評価が可能な流動様式解析装置を構築した。垂直管内気液二相では、未発達、非定常な流れが観察される。このため、本実験装置では、ボイド率の測定区間を流動方向に6箇所設け、流れの発達状態、非定常状態を定量的に評価できるシステムとした。今年度は、ボイド率の統計的平均量と流動様式の測定を行い、本実験装置の妥当性を確認した。流動様式の測定結果から、気泡流から大気泡が生成される流動様式遷移の支配的物理現象の抽出を行い、後述する数値解析的研究のモデル化に反映させた。また、ボイド率の統計的変動量の計測を行い、流れの統計的変動量が下流に行くに従って増加すること、およびその原因が気泡の合体にあることを明らかにした。上記の実験的研究と同時に、数値解析的研究も行い、気液二相流モデルの構築を開始した。気液二相気泡流からスラグ流への遷移過程は、強い3次元性を持つため、今年度は、流れ場を3次元として取り扱い、気泡追跡法に基づく気相分散流解析手法を考案した。また、実験的に得られた流動様式遷移の支配的物理現象(合体、集合化等)をモデル化し、この手法に適用した。本研究で目的としている全流動範囲にまたがる一次元気液二相流モデルを構築するためには、まず3次元的な流れをモデル化し、そのモデルを基礎にして一次元モデルを構築する方がより普遍的なモデルを構築できる。本年度は、本解析手法および気液二相流モデルが、気泡流からスラグ流領域をその遷移過程も含めて解析可能であることを確認した。また、数値解析結果が、実験結果とよく一致することを確認した。

Research Products

• [Publications] 冨山明男、三好弘二,坂口忠司: "A phenominological bubble tracking method for bubbly to slug flow transition in vertical pipes" 第2回日独混相流シンポジウム. (掲載予定). (1997)
• [Publications] 冨山明男、玉井秀定、坂口忠司: "垂直管内気液二相流の統計平均的変動に関する実験的研究" 混相流シンポジウム'97. (掲載予定). (1997)
• [Publications] 冨山明男、三好弘二、坂口忠司: "垂直管内気液二相流の統計平均的変動に関する数値的研究" 混相流シンポジウム'97. (掲載予定). (1997)