2017 Fiscal Year Research-status Report
高温面非定常冷却中のぬれ面形成とぬれ面先端境界位置挙動の解明
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16K06127
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| Research Institution | Saga University |
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Principal Investigator |
光武 雄一 佐賀大学, 海洋エネルギー研究センター, 教授 (20253586)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 高温面急速冷却 / 高温面のぬれ / 非定常遷移沸騰 / ウエッティングフロント / クエンチ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
高温面の非定常噴流冷却は，安定な固液接触が生じているぬれ面と乾き面との境界を定める固気液接触界線WF：Wetting Frontの位置とその移動速度に支配される．このため，WFの挙動を規定する熱的条件の解明が課題となっている．
従来，WF位置は沸騰曲線上で部分的な固液接触の開始に対応する極小熱流束点に関連付ける考え方が支配的であった．つまり，非定常冷却中の高温面の局所温度でWF位置が規定される．しかし，不規則なぬれと乾きを繰り返すWF付近の伝熱は，固体側熱伝導と連成した強い非定常性を有するため，時間平均化された沸騰曲線に基づくアプローチでは本質的な現象理解は難しい．
本研究は，衝突噴流冷却中に高温面上を移動するぬれ面先端のWF境界近傍の伝熱素過程に注目し，１）非定常計測を用いた実験によりぬれ面先端のWF位置の挙動と局所の熱伝達の理解，２）ぬれと乾き状態を繰り返す非定常遷移沸騰と固体側二次元非定常熱伝導との連成モデルの構築 によって，高温面噴流冷却技術の向上を目指す．本年度の実績は，次の三点に要約される．
１）前年度製作の高温面の噴流冷却実験装置を用いて，噴流よどみ点直下とWF近傍での固液接触界面温度計測と同時に行った沸騰状況の高速度撮影を行い，WF近傍で生じるぬれと乾きに伴う表面温度・表面熱流束変動の特性を明らかにした．また，高温面上を流れる液膜流に含まれる流動変動成分とぬれ面先端での固液接触変動との関連明らかにした．２）高温面上を移動するWFの半径位置の時間変化を画像解析で評価し，半径位置が時刻のべき関数で表現できることが分かった．さらに，時刻の指数が噴流サブクール度と噴流速度の条件の組み合わせによって変化することが分かった．３）酸化膜が存在する高温面上での固液接触界面温度および熱流束変化に及ぼす酸化膜厚さとその熱物性値の影響を非定常熱伝導方程式の厳密解を導出して評価した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究で取り組む二つの課題，すなわち１）非定常計測を用いた実験によりぬれ面先端のWF位置の挙動と局所の熱伝達の理解，２）ぬれと乾き状態を繰り返す非定常遷移沸騰と固体側二次元非定常熱伝導との連成モデルの構築についての進捗状況を分けて述べる．
１）高速応答表面温度センサーを備えた高温面の水噴流冷却実験装置を用いて，非定常冷却中にWF近傍で生じている固液接触状況に対応した表面温度・熱流束変化の評価と同時に高温面上での噴流の流動状況との対応を調べた．WF位置の表面温度は250℃～276℃に対応し，WFの到着と伴に一時的な固液接触が開始される．一方，WF通過後に生じるクエンチ（急冷）の開始は，噴流のPlateau-Rayleigh 不安定で誘起される液膜流の変動周波数（約1 kHz）にほぼ対応した固液接触開始と一致していた．一方，画像解析からWF半径位置は，時刻のべき関数で整理されること，指数はサブクール度と噴流速度に応じて1から1/4の値を取ることが分かった．このように，噴流冷却実験に関する研究は概ね計画通りに進展している．
２）WFの伝熱モデルについては，現在固体側の軸対称二次元非定常熱伝導を流体側の対流伝熱の移動境界値問題としてモデル化を行っているところである．WF位置を決定する熱的条件として，WF近傍での固液接触に伴う自発核生成による蒸気爆発条件とよどみ点からWFまでの沸騰距離に対する限界熱流束条件のいずれかが成立するものとしてWFの挙動の予測を目指している．前者は自発核生成温度以上の高温面の冷却初期段階，後者は自発核生成温度以下の高温面上でWFに隣接して核沸騰域を随伴する冷却化後期段階での条件にそれぞれ対応するものである．計算モデルの構築とWF位置の時間挙動に対する噴流速度や噴流温度の影響評価までには至っていないため，自己点検結果として「全体としてやや遅れている」と評価した．
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| Strategy for Future Research Activity |
WF近傍の非定常熱伝達計測実験に関して，これまで得られた測定結果に基づき高温面上の測温点数，設置位置間隔を最適化した試験伝熱面を製作し，2次元非定常熱伝導逆問題解析によりWF近傍の非定常熱伝達測定の空間分解能を向上させる．またレーザー干渉光学計によりWF先端に存在する液膜厚さの計測とWF先端位置の挙動を非接触で行うことを試みる．
モデルに関しては，数値計算プログラムの完成を急ぎ，WF位置を決定する熱的拘束条件を限界熱流束（液膜消失条件）と自発核生成条件を組み合わせた場合に得られるWF位置の挙動に及ぼす高温面初期温度，噴流温度，劉流速度の影響を定性的に評価を行う．そして，実験で得られている時刻のべき乗で表現されるWF位置の挙動について，その指数の値が示す物理的な意味についての検討をさらに行っていく．
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| Causes of Carryover |
本年3月12日から15日まで開催された第10回国際沸騰凝縮伝熱会議への参加・論文発表に関わる出張旅費の清算が年度内に確定できず概算でしか分からず，本年度末の予算執行期限までに予算全額の執行完了できず次年度使用額が発生した．
次年度使用額16,683円は，次年度の消耗品購入予算として，次年度分助成金と合わせて使用する予定である．
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[Book] Boiling -Research and Advances-2017
Author(s)
Yuichi Mitsutake (Author of Chapter 4.3) , Editor Yasuo Koizumi, Masahiro Shoji, Masanori Monde, Yasuyuki Takata, Niro Nagai,
Total Pages
Chapter 4.3 Total 19 pages
Publisher
Elsevier
