2021 Fiscal Year Research-status Report
Sophisticated modeling for quenching of a hot surface with a multi-time scale transient heat transfer model
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20K04314
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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所, 教授 (20253586)
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2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 衝突噴流冷却 / 非定常遷移沸騰 / ウエッティングフロント / 非定常熱伝導 / 限界熱流束 / 材料製造プロセス / 冷却温度制御 / 高温面のぬれ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
沸点を遥かに超える高温面の水冷過程は，固液の安定な接触が生じない膜沸騰と呼ばれる伝熱モードから高温面上で部分的・間欠的なぬれ状態の回復を伴う遷移沸騰伝熱モードを経て，全面が安定なぬれ面に移行し，核沸騰或いは単相対流伝熱に至る．ぬれ状態の回復に伴う冷却能力（熱伝達率）の増大よる急冷開始点，所謂クエンチ点によって冷却温度履歴が特徴づけられるので，材料製造プロセスなどの応用上クエンチ点予測が非常に重要である．さらに，衝突噴流を用いた外部流冷却では，液膜流で覆われる高温面上に複数の伝熱モードが共存し，その分布は固液接触境界を定めるぬれ面先端（Wetting Front: WF）の移動に伴い変化する．WF近傍は三相境界線の前進と後進を繰り返す不安定なぬれを示す遷移沸騰が固体側熱伝導と連成した非定常伝熱で支配されるため，本研究では外部流冷却を支配するWF挙動の予測モデルの確立を目指す．
昨年度実施した衝突噴流冷却中の水平下向き面上でのWF位置とぬれ面上での伝熱モード分布の時間変化および局所の非定常冷却伝熱特性の計測結果に基づいて，本年度は軸対称2次元非定常熱伝導計算に衝突噴流熱伝達モデルを組み合わせたWF位置予測結果との比較検討を行ない，計算手法の妥当性を検討した．その特徴は，定常状態で得られている既存の単相熱伝達とプール核沸騰伝熱整理式に基づいて，計算結果を実験結果と一致させるために導入するパラメータを用いることなし，ぬれ面上の核沸騰域の沸騰長さを時間ステップごとに反復計算で解いて表面熱伝達率分布を規定する．得られた予測結果は，実験で得られた時刻の指数関数で与えられるWF位置の挙動および核沸騰長の変化については定性的に一致することを確認したが，冷却開始直後の噴流よどみ点からぬれ面が拡大を開始するまでのぬれ開始遅れの評価方法について課題があることが分かった．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
本研究が目指す高温面非定常冷却モデル開発では，WFの移動に伴う移動熱源問題を固体側の非定常熱伝導との連成計算による定式化がポイントである．WFの移動と伴に変化する高温面上で共存する単相熱伝達，核沸騰，遷移沸騰の境界位置を規定する必要がある．
前年度のビデオ解析による冷却中のWF位置と各伝熱モードの境界位置の時間進展，高速応答表面熱電対を用いたWF近傍での非定常伝熱計測に基づき，本年度は軸対称2次元非定常計算によるWFの時間進展のモデル化とその検証を実施した．時刻のべき関数で近似表現されるWF半径位置の挙動をモデルで定性的に再現できる見通しが得られた．
以上述べた本年度の実施状況より，本研究の目的であるモデル化にある程度目途がついたことから，「おおむね順調に進展している進捗している」と判断した．
最後に，本年度の成果のハイライトとして高温面上の安定なぬれ面上で共存する各伝熱モードの境界位置決定方法について述べる．実験で得られた局所単相対流伝熱および核沸騰領域の伝熱は，Liu・Lienhardの単相熱伝達とStephan・Abdelsalamのプール核沸騰熱伝達の相関式との良好に適合したので，沸騰開始点は2つの伝熱相関式の交点の表面温度に対応する半径位置とした．一方，沸騰開始位置の外側に拡がる核沸騰領域の外周位置は，核沸騰の上限熱流束である限界熱流束（CHF）でその半径位置を決定した．強制対流サブクール沸騰のCHF相関式は等熱流束条件のため，半径方向に不均一熱流束面には適用できないため，未知数の核沸騰域長さ，つまり沸騰長に対するCHF予測値が沸騰長の外半径位置の核沸騰熱流束と一致するまで反復計算で決定した．WF内側の安定なぬれが生じる最遠位置の挙動と沸騰長については，実験で測定された結果と定性的によく一致することを確認した．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までの進捗状況で述べた高温面の衝突噴流冷却のモデルでは，冷却開始直後の噴流直下のよどみ領域での安定なぬれ状態を回復し，WFがよどみ領域から拡大を開始するまでの時間遅れの予測が不十分であることが明らかとなった．既存の限界熱流束の予測式は噴流よどみ領域に対して適用範囲外となるため，噴流直下での安定なぬれ回復の遅れが顕著となる低サブクール度および高い高温面初期温度の条件に対して，噴流冷却開始初期の予測精度が低下する．
そこで，今後の研究では冷却開始初期の予測精度を改善するため，噴流冷却実験を実施して噴流よどみ領域で安定なぬれ状態が開始する条件について検討を行う．噴流直下領域の非定常伝熱計測結果に基づき，噴流サブクール度や高温面初期温度などの冷却条件がよどみ領域でのぬれ回復に及ぼす影響を明らかにする．そして，当初の計画に従い，初年度に得らたWF近傍で生じる遷移沸騰領域での不安定な固液接触頻度に関する統計的情報と固液接触の非定常熱伝導計算で評価した非常に短い時間スケールで生じるWF先端部の先行冷却を伝熱モデルに組み込むことにより，高温面上で共存する各伝熱モードの伝熱特性を考慮した高温面非定常冷却モデルの完成を目指す．また，得られた研究成果については，国際学会での発表および学術誌への投稿の準備を行う．
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| Causes of Carryover |
研究申請時に予定していたエディンバラで開催予定の国際沸騰伝熱会議は，コロナ禍のため23年度の開催に延期されたため，海外出張旅費を最終年度まで繰り延べを余儀なくされた．
一方，本年度予定していた実験は，計画を変更して初年度に得られた実験結果の整理を行い移動冷却源伝熱モデルの検討と数値計算プログラムの作成に注力し，高温面の非定常冷却モデルの完成度を上げるため，実験データとの比較検討を行った．以上の理由により次年度使用が発生した．
本年度の予算については，延期になった国際学会での研究成果発表の旅費，および研究懸隔変更により先延ばしとした実験を実施するために使用する予定である．実験では，計算モデルの構築で課題となった噴流よどみ点近傍での非定常熱伝達，特に高温面上で安定なぬれ面が形成されるまでのぬれ開始遅れとその後のWFの拡大開始までの冷却の初期段階の非定常伝熱計測を注目した実験を実施し，その結果を非定常冷却モデルに反映してWFの移動に伴う非定常沸騰冷却過程の予測精度の向上を行う予定である．
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