超流動ヘリウム混相流の管内不安定流動に関する研究

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12450074
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 上條 謙二郎 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90282003)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 松本 洋一郎 東北大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (60111473) ; 徳増 崇 東北大学, 流体科学研究所, 助手 (10312662) ; 尾池 守 石巻専修大学, 理工学部機械工学科, 教授 (70292282)
• Keywords: 超流動ヘリウム / 混相流 / 管内不安定流動 / 液体ヘリウム / 気泡流モデル / ドリフトフラックスモデル

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や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的としている。
本年度は、前年度に整備された超流動ヘリウム流動試験装置の問題点を改良した。このような極低温流体を取り扱う実験では外部からの熱侵入が極低温流体の相変化を引き起こし、それが流動特性の変化、脈動、熱振動につながるため外部からの熱侵入を極力抑えることが高精度での計測を行う上で重要である。この熱侵入を抑えるためこの装置の真空断熱層に加えて上流および下流のタンク部分に液体窒素を充填するシールド層を加え、かつ流動配管の周囲には液体窒素及び供試流体の温度に維持される銅シールド板を2層設置した。
このように改良された装置により極低温流体の気液二相流れを可視化部で発生させレイノルズ数とキャビテーション数の関係をデータとして取得した。その結果、レイノルズ数が増加するにつれてキャビテーション数が減少していく傾向が確認された。
またこれらの現象を数値解析から明らかにした。二相流はバブルキャビテーションを想定し、常流動成分と超流動成分の連続の式、運動量保存式、エネルギー保存式を満たすように支配方程式を構築した。この支配方程式をSMAC法を用いて解き、ノズル部での流動状態を解析した。その結果、ブローダウン後、ノズル部で急激な圧力降下がおこり、スロート下流で渦が生成し、圧力が低下してボイド率が高くなる領域が発生することが明らかとなった。またスロート部前縁で境界層剥離が起こっていることが明らかとなった。

Research Products

• [Publications] Ishimoto, J, Oike, M, Kamijo, K: "Numerical Simulation of Cavitating Flow of Liquid Helium in a Pipe Using Multi-Fluid Model"Advances in Cryogenic Engineering. 47. 1413-1420 (2002)
• [Publications] 石本淳, 上條謙二郎: "液体ヘリウムのベンチュリ流路内キャビテーション流れに関する数値シミュレーション"低温工学. 37. 565-572 (2002)