2020 Fiscal Year Annual Research Report

Study on the superfluid turbulent flow inducing to phase transition in superheated state

Research Project

Project/Area Number	18K18827
Research Institution	National Institute for Fusion Science
Principal Investigator	高田卓核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (30578109)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	村上正秀筑波大学, システム情報系(名誉教授), 名誉教授 (40111588)
Project Period (FY)	2018-06-29 – 2021-03-31
Keywords	可視化 / PIV / 超流動ヘリウム / 膜沸騰 / 間欠沸騰
Outline of Annual Research Achievements	超流動ヘリウムにおける膜沸騰周りにおけるPIV法による速度場の計測結果をまとめるに至った。当初予定していた中空ビーズによる可視化には成功しておらず、結果的に従来からの固体水素による実験結果を解析するに至った。ヒータ周りに等方的に熱対向流が現れるが、中央部分においては比較的強い上昇流が観測される。また、ノイジー膜沸騰とサイレント膜沸騰の膜沸騰分岐においては蒸気膜の様相が大きく違うため、瞬間値については大きな差が見られるものの、流動をAC成分とDC成分に分解するとDC成分については共通の熱対向流に対する応答が見られるなど、沸騰周りの超流動ヘリウム中の常流動成分の速度場について系統的にまとめられた。一方で、急拡大流路における過熱状態を伴う間欠沸騰についても実験的研究を進めた。特に液頭圧の効果について特に注力し、間欠沸騰状態の現れる臨界熱流束についてヒステリシスがみられないことを明らかにした。また、過熱状態がチャネルの幾何学形状における重力方向の長さに依存しており、縮小部が飽和蒸気圧曲線を超えていてもヒータの設置された拡大流路部が飽和蒸気圧曲線に到達するまでの間は間欠沸騰を起こさないことが判った。高熱流束域で間欠沸騰から連続沸騰状態への遷移もまた強い液頭圧の影響を受けていることが判明した。高速度カメラを用いた可視化を通じて間欠沸騰中の沸騰様相を明らかにし、間欠沸騰中の気泡が激しく振動している様などを初めてとらえることに成功した。