可変迎角フィン付き伝熱管による混相流の流動制御と熱輸送の最適化

2017 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 17K06178
• Research Institution: Hokkaido University
• Principal Investigator: 山田 雅彦 北海道大学, 工学研究院, 准教授 (70230480)
• Project Period (FY): 2017-04-01 – 2020-03-31
• Keywords: 氷スラリー / 混相流 / 固液相変化 / 融解伝熱 / 流動制御 / 蓄冷熱 / 熱交換器

Outline of Annual Research Achievements

本研究は，氷スラリー流内の氷の潜熱を有効に採取するため，矩形フィンを氷スラリー流側に，流れに迎角を有する形態で各伝熱管に取り付け，流れに対するフィンの迎角を変えることで加熱管周囲の流れおよび後流を制御し，氷粒子と加熱面の接触を促進する事を目的としている．平成29年度では実施計画に即して以下の成果を得た．
１．氷スラリー生成装置，主流動系，および試験部伝熱管の製作：主流動媒体としてエチレングリコール水溶液をベースとした氷スラリーを採用し，初期濃度を設定したエチレングリコール水溶液を循環させながらタンク内に設置したシリコンチューブ製熱交換器で冷却し，所要の固相率の氷スラリーを生成する装置，および主流動系を製作した．また，試験部加熱管（フィン付き加熱円管）は，直径25.4mmの銅管（長さ100mm）に厚さ2mm，長さ95mm，幅13, 26, 39mmの3種類の銅板をフィンとして各2枚，銅管断面の中心軸線上の対称位置に銅管表面に取り付け製作した．
２．熱伝達率および氷融解潜熱利用率の測定：氷スラリーの主流速度，固相率，フィン寸法，フィン迎角などの諸条件を設定して，融解熱伝達率および伝熱量中の氷の融解潜熱の利用量を評価した．一定の固相率の氷スラリーに対して，総融解伝熱量が最大となるフィン迎角の範囲を特定し，さらに，本研究の範囲でフィン幅が大きいほど平均熱伝達率や潜熱の利用率が大きくなる事が明らかにした．
３．解析モデルの構築および数値解析の遂行：粒子法を用いて加熱管周囲の氷スラリーの流れ場および氷粒子の融解量の数値解析を遂行した．粒子法による流動状態および熱伝達率分布に関する解析結果は定性的に実験結果と同様の傾向を示すことが確認され，氷スラリーの熱・流動挙動の検討において，粒子法による数値解析が有効であることを確認した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本年度の検討事項は，大別して，フィン付き単一水平円管周りの氷スラリー流の融解熱伝達に及ぼす諸条件の影響に関して実験により検討を行うこと，および，粒子法を用いた数値解析により，上記の実験条件に関して数値解析を行うことである．
実験に関しては，単一円管を対象に実験装置の製作が完了し，第二年度以降の管群の実験に拡張する用意が整っている．さらに，数値解析に関しては，粒子法の一つであるMPS法を用いて，フィン迎角を変化させた場合の加熱円管周りの氷スラリーの流動挙動に関してシミュレーションを実施し，次年度以降の管群の場合にも当該数値解析法を拡張して適用する用意が整っている．本研究期間（３年間）を通じての到達目標である，加熱管群に対する各迎角の最適組み合わせ条件を見出すには，多くの因子が現象に影響しており，実験条件の組み合わせをすべて検討して最適条件を見出すには，多大な時間を要する．従って，数値解析を援用して最適フィン迎角配置に関する検討を行う見通しができたことは，本研究の目的に対して良好な見通しを与えるものである．本年度は，実験および数値解析の両面においてほぼ当初計画の通り遂行することができ，次年度以降における実施の準備が整うとともに，問題点に関する確認・検討を行った．従って，現時点において，本研究は概ね計画通り進捗していると評価される．

Strategy for Future Research Activity

今後の研究は，今年度の成果を反映させ遂行する．本研究期間を通じての一つの大きな目標は，『迎角を有するフィン付き加熱管群周りの氷スラリーの融解伝熱における各管の迎角の組み合わせの最適条件』を見いだすことであり，実験および解析の両方から目的を達成すべく研究を推進する．
実験では，３行３列（９本）の正方配列のフィン付き加熱管群の試験部を製作し，各加熱管のフィン迎角を個別に設定出来る構造とする．フィン迎角に関してほぼ無限に近い組み合わせが存在するが，それらのうち物理的に意味のある組み合わせを検討して実験条件の設定を行う．実験結果から得られたフィン迎角の最適配置に対して，実際にはスラリーの流量や固相率などの条件の変動が予想される．
かかる変動に対して最適な角度調整を行う最適制御機構の構築を行う．管群試験部の各加熱管のフィン迎角をサーボモータで制御する機構を組み込み，最適制御理論に基づき，流動条件などの変動に対して最大の熱伝達率を与えるようにフィン迎角の組み合わせに関する最適制御機構を構築し，その有効性を検証する．
数値シミュレーションでは，粒子法の一方法であるMPS法のみならず，様々な混相流に関する解析方法の適用を試み，数値シミュレーションによっても各加熱管のフィン迎角の最適な条件の組み合わせを示すことが出来るように検討を行う．

Causes of Carryover

既存設備の積極的利用や，消耗品費の節減により次年度使用額が発生したが，当該残額は第二年度の実験における消耗品費として有効に利用する予定である．