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

2021 Fiscal Year Annual Research 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

Outline of Annual Research Achievements

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た研究であり、相変化モデルの検討を行うために、沸騰二相流を詳細に解析が可能となるVOF法を用いて、サブクール沸騰を対象に気泡挙動のシミュレーションを行う。まず、エネルギー方程式に相変化モデルの組み込みに加えて、強制流動系に対応するために乱流による熱輸送量を考慮する必要がある。工学的に広く利用されている乱れエネルギーとエネルギー散逸率を用いて、乱流の渦動粘性係数を与える標準k-εモデルを用いて、単相流を対象に計算し、一般速度分布を用いた温度分布との比較を行った。計算結果は管中心部から管壁方向に向けて温度がなだらかに上昇する傾向は、理論値と一致するが、壁近傍において理論値を大きく下回る結果となった。これは、本モデルが高レイノルズ数を対象としたものであることから、乱流渦が十分に形成されない壁近傍での熱輸送量を十分にモデル化できていないことが原因と考えられる。特に沸騰挙動は壁近傍で生じる現象であることから、低レイノルズ数モデルであるk-ωSSTモデルを組み込んだ。その結果、単相流での温度分布を表現することができた。次に、相変化モデルにおける物質輸送係数の影響を検討するために、蒸発と凝縮に対して同じ係数を用いた場合と、それぞれ異なる値を用いた場合について気泡挙動の数値シミュレーションを行った。同じ係数を用いた場合は、気泡成長が小さく、沸騰気泡がすぐに凝縮してしまうことから、凝縮量を過大評価する傾向にあった。一方、それぞれ異なる値を用いた場合は、およそ蒸発の係数を100、凝縮の係数を0.1に設定することで、強制流動サブクール沸騰における気泡挙動を数値的に再現することが可能となった。