固気液三相界面における濡れの物理モデル構築に関する研究

2020 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 19K04248
• Research Institution: Kansai University
• Principal Investigator: 網 健行 関西大学, システム理工学部, 准教授 (00581654)
• Project Period (FY): 2019-04-01 – 2022-03-31
• Keywords: 数値シミュレーション / 沸騰 / 濡れ性

Outline of Annual Research Achievements

本研究は、固気液三相界面における濡れ現象が影響する現象を対象に数値シミュレーションによる現象把握を行うものである。エネルギー方程式を導入し沸騰気泡の生成過程を数値シミュレーションするうえで、沸騰・凝縮による相変化量の評価が肝要である。一昨年度は主に周りの流体が静止している比較的簡易なプール沸騰系において、単一の沸騰気泡を対象として、界面追跡法を導入し、相変化量の検討を行った。単一気泡の場合については、セル内におけるボイドの値および勾配から界面長さおよび位置を特定し、温度勾配を計算することで、熱流束を評価することができた。そこで昨年度は、流体が流れているより複雑な強制流動沸騰場を対象に、複数の沸騰気泡が同時に生成される場合について、数値シミュレーションを行った。強制流動沸騰場においては、計算対象が広範囲に及ぶことから膨大なセル数が必要になることから、セルの大きさをそれほど小さくすることができない。また、複数の気泡が存在する場合でも離散的に孤立気泡として取り扱える条件では、界面追跡法が適用できるが、複数の気泡が合体するような場合には、そもそも界面の特定が困難であり、本手法は適していない。そこで、複雑な温度場・界面形状に適用可能な、温度差の比を考慮した相変化モデルを組み込むことで、垂直上昇流におけるサブクール沸騰域での沸騰気泡生成過程について数値計算を行った。これにより、気泡生成および離脱時の気液界面を通じた蒸発による潜熱輸送、および、気泡離脱におけるバルク液との攪拌による顕熱輸送によって生成される複雑な温度場や初期沸騰気泡の挙動を数値的に再現することができた。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

本研究は、固気液三相界面における濡れの物理モデルの構築に向けて、連続体として界面追跡法を用いた手法を用いて、一昨年度はプール沸騰、昨年度は強制流動沸騰系を対象にしたシミュレーションを行った。昨年度は、電気二重層内の分子挙動を厳密に取り扱うために、電気二重層内の固体表面から1μm以下の固定層では、分子動力学法によるシミュレーションを導入し、拡散層では連続体近似による界面追跡を行い、これらをカップリングすることで、流動場全体の挙動予測を試みる予定であった。しかし、固定層において、分子間力により電気二重層を表現するためには新たなポテンシャルモデルが必要になることが明らかとなった。そのため、分子動力学法の導入が上手くいかず，一旦計算を取りやめたことから、当初の計画からは少し遅れているのが現状である。そこで昨年度は連続体として界面追跡法を用いた計算体系のスケールアップに取り組んだ。一昨年度はプール体系におけるオングストロームオーダーの沸騰気泡を対象に数値シミュレーションを行ったが、実機の沸騰現象を解析するには適していないことから、実用的なミリメートルオーダーで、より複雑で実際の流れである強制流動沸騰系を計算対象とした。計算対象を単一気泡から、複数気泡に拡張するため、あらたな相変化モデルをエネルギー方程式に組み込んだ。これにより垂直上昇流におけるサブクール沸騰域での気泡挙動の数値シミュレーションを実施することができ、気泡離脱挙動を数値的に再現することが可能となった。

Strategy for Future Research Activity

今年度は，界面追跡法の相変化問題として、強制流動沸騰系におけるサブクール沸騰について、流動方向が気泡離脱挙動に与える影響について数値シミュレーションを行う。流体が静止しているプール体系では、沸騰気泡の生成はミクロ液膜を通した熱伝導と蒸気への直接熱伝導、蒸気泡界面での蒸発と凝縮によってのみ決定される比較的簡単な体系である。しかし、実際の沸騰関連機器ではポンプなどにより強制的に流動されている強制流動系であるため、さらに気泡には浮力、抗力、表面張力が相互に影響する。また液相が上向きに流れる上昇流では、気泡に作用する浮力と流動方向が同じ向きを向いているため、初期気泡は壁面に沿ってスライドしながら温度境界層内を移流し、徐々に成長し、やがて表面張力よりも抗力が強くなり、せん断力によって引きちぎられ、気泡は壁面から離脱する。しかし、液体が下向きに流れる下降流では、気泡に作用する浮力と抗力が逆向きに作用するため、初期気泡は壁面に沿って上流に逆流、あるいは停滞する可能性がある。上流に逆流する場合は、潜熱を上流へ輸送することになるため、沸騰開始条件が上昇流とは大きく異なることになる。また、気泡が伝熱面近傍で停滞する場合は、気泡が伝熱面への液の供給を阻害する可能性があり、いわゆる局所的な空焚き状態となるため、非常に危険な限界熱流束といわれる状態を引き起こす可能性がある。下降流のサブクール沸騰を実機で使用する場合には以上のような懸念事項があり、その機構解明およびそのモデル化が急務である。そこで昨年度までに構築した界面追跡法を用いた計算手法を下降流の強制流動沸騰系に適用し、数値シミュレーションを用いてサブクール沸騰のメカニズム解明に取り組む。