2020 Fiscal Year Research-status Report
減圧環境下における衝突液滴の局所除熱特性および液滴内部の沸騰気泡解析
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20K14676
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| Research Institution | Japan Aerospace EXploration Agency |
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Principal Investigator |
畠中 龍太 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 研究開発部門, 主任研究開発員 (80725333)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | ライデンフロスト / 核沸騰 / 気泡成長 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の最終目標は、減圧環境下において、雰囲気ガスの相対湿度の調整を行った上で加熱面に単一液滴を衝突させ、固体表面温度の高時間/空間分解能計測と全反射法(TIR)による固液接触部計測の2つを同時実施することで気泡成長と壁面熱流束を評価することである。
FY2020は、1)TIRの導入、2)TIRと高速温度計測を両立するシステム構築、3)熱電対の膜厚決定、の3点を進めた。2方向(側方+TIR)からの高速度カメラ撮影とトリガ信号生成用レーザセンサの光路を確保しつつ、熱電対アレイ・プリズム・液滴生成器および精密可動ステージ等を頻繁な着脱や搬入出に対応可能な形で狭いチャンバ内に配置し、実験可能な状況に到達することに成功した。熱電対の膜厚として当初想定していた厚さでは凹凸が液滴挙動に影響していることをTIRにより確認し、更なる薄膜化を進めた。製造性/取扱性が許容範囲で、且つ液滴挙動が平滑面と近くなる膜厚を新たに選定した。薄膜化によるゼーベック係数の変化は確認されない一方で、温度-起電力グラフにおいて僅かなシフト値が存在することを確認した。このシフト値は電気回路上の問題と考えられ、対策を検討中である。また、過去にTwente大学で行ったTIR計測結果の分析を進め、液滴-壁面間で成長する気泡の底面にミクロ液膜が存在し、熱抵抗として作用している可能性を提案した（R.Hatakenaka et al., 73rd APS/DFD。投稿論文も執筆中。）。
今後は、まずは計測データの精度を保証できるように熱電対アレイのキャリブレーション手法/手順を改善し、計測技術を中心として投稿論文1本をまとめ、その後より減圧環境下の現象解明のツールとして活用していく。
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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
研究スケジュールに関しては、段階的な成果発表や手戻りリスク低減の観点で計画見直しを行い、FY2021-2022に予定していた全反射法計測（TIR)の導入および高速温度計測との同時実施に優先して取り組むこととした。
当初計画で掲げていた時間/空間分解能と凹凸レベルの目標値は達成し、さらに予定を前倒ししてFY2021以降に予定していた全反射法（TIR）の導入と高速温度計測との両立にも成功した。
一方、当初計画よりも遅れているのは、1)相対湿度の計測/制御技術、2)温度データを基にした熱流束分布評価アルゴリズム構築、の2点である。1)は熱電対アレイそのものとは切り離して実施可能であり、研究期間内には完了できる見込みである。2)は、TIRとの同期計測実現により液-固接触状況と比較しながら温度/熱流束を評価できるようになった点で目標達成に近づいている。研究成果のまとめ方に直結する内容のためFY2021に重点的に取り組む予定である。
以上より、全体として概ね順調に進展していると判断する。
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| Strategy for Future Research Activity |
本研究では非常に高度且つ新規性の高い実験技術に挑戦しており、また研究対象である液滴現象も極めて複雑であるため、各要素を切り出して段階的に成果発表を積み上げていきたい。また、提案者が博士課程学生として在籍している東京農工大学の田川教授、過去に1年間在籍したDarmstadt工科大学(ドイツ)のTropea教授・Roisman教授との連携を積極的に行って、液滴現象や伝熱モデル化に関して理論的な考察を進めていきたい。
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| Causes of Carryover |
（理由）研究計画の見直しの結果、相対湿度計測/制御は次年度以降に回すことになったため。また、光学系部品（レンズ等）は選定に時間を要しており、FY2020は購入に至らずに借用品で対応したため。
（使用計画）次年度に繰り越した予算はFY2021以降に使用予定である。
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