超流動ヘリウム混相流の管内不安定流動に関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450074
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 尾池 守 東北大学, 流体科学研究所, 助教授 (70292282)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 石本 淳 弘前大学, 理工学部, 助教授 (10282005) ; 松本 洋一郎 東京大学, 工学系研究科, 教授 (60111473) ; 上條 謙二郎 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90282003) ; 徳増 崇 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (10312662)
• Keywords: 超流動ヘリウム / 極低温混相流 / 液体ヘリウム / 極低温気液二相流 / 多流体モデル

Research Abstract

本研究は、超流動ヘリウムの液体超流動相、液体常流動相および気相からなる混相流動現象を工学的見地から熱・流動力学的に究明し、極低温機器の性能向上は機器運用の際に問題となる混相流化に起因する管内不安定流動現象を実験的、理論的に解明することを目指す。
配管中の絞り部通過時に生じる圧力降下で誘発される超流動ヘリウム管内混相流の発生・移流状態を可視画像計測するため、加圧流動方式による超流動ヘリウム流動試験装置の整備を進めた。今年度は、昨年度整備した超流動ヘリウム加圧槽から流体の供給を受け絞り部で発生する混相流動状態を可視観察する観測部と、観測部を通過した供試流体を受け取りプールする受液槽とから構成される超流動ヘリウム観測装置を試作した。観測部は高真空断熱層中に液体窒素温度および液体ヘリウム温度の熱シールド板を有し、また受液槽は真空断熱されており、内圧は真空ポンプで減圧することにより液体ヘリウムの超流動状態での流動を可能としている。
上記観測部に装着するために試作した2次元オリフィス形状のスロート部を有する透視管を用い、既存の装置による常流動液体ヘリウムならびに液体窒素の加圧ブローダウン試験を行った。その結果、液体窒素ではオリフィス前縁はく離部で気泡群が初生し下流に進展するのに対して、液体ヘリウムでは供給流体のサブクール状態の相違により、前縁はく離部で初生する場合とオリフィス出口噴流部から初生する場合とが存在することが判明した。
数値解析については、非定常・熱的非平衡多流体モデルに基づく基礎方程式系を用いて液体ヘリウム管内気液二相流れを数値解析し、二相流状態に及ぼす超流動の効果を明らかにした。

Research Products

• [Publications] Oike, M.: "Observation on Helium Two-Phase Flows in a Pipe"Proceedings of 4th International Symposium on Cavitation. A8-002 (2001)
• [Publications] Ishimoto, J.: "Two- Dimensional Numerical Simulation of Cavitating Flow of Superfluid Helium II"Proceedings of the 1st International Symposium on AFI. 245-250 (2001)
• [Publications] Oike, M.: "Observation of Two-Phase Cryogenic Flows in a Horizontal Pipe"Proceedings of the 1st International Symposium on AFI. 281-286 (2001)
• [Publications] Ishimoto, J.: "Numerical Analysis of Two-Phase Pipe Flow of Liquid Helium Using Multi-Fluid Model"Journal of Fluids Engineering. Vol.123. 811-818 (2001)