2023 Fiscal Year Annual Research Report
微細流路内沸騰熱伝達の高時空間分解測定および動的伝熱メカニズム解明
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21K03908
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| Research Institution | 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群) |
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Principal Investigator |
中村 元 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 教授 (80531996)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
山田 俊輔 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (90516220)
船見 祐揮 防衛大学校(総合教育学群、人文社会科学群、応用科学群、電気情報学群及びシステム工学群), システム工学群, 准教授 (70738004)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Keywords | 沸騰熱伝達 / 計測 / 可視化 / 赤外線イメージング / 可視透明ヒータ / 高時空間分解測定 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
矩形微細流路の沸騰熱伝達を高速度赤外線（IR）カメラを用いて高時空間分解能で測定した．まず，IRカメラを用いて沸騰の素過程（核沸騰，ドライアウトなど）に起因した高速かつ複雑な熱伝達変動を十分な解像度で測定できるか確認するために，高温面に液滴を滴下して沸騰させる簡易な実験を行った．その際，赤外線透過窓材に酸化インジウムスズ（ITO）を成膜した測定面を製作するとともに，測定面の放射率等の光学特性を評価した．その結果，核沸騰気泡の生成，成長に伴う高速かつ微細な熱流束変動を測定できること，また，沸騰熱伝達（熱流束変動振幅 100 kW/m^2 程度）を高時空間分解能（～ 1 ms かつ ～ 0.1 mm）で測定可能であることを確認した．
次に，水平設置した辺長2 mmの矩形微細流路内で水を流動沸騰させる装置を製作し，沸騰熱伝達を高時空間分解能（2000 fps, 0.03 mm/pixel）で測定した．同時に，2台の高速度カメラを用いて流動沸騰様相を可視化した．質量流束は 150 kg/(m2・s) 程度，壁面熱流束は 40～120 kW/m^2 の範囲とし，気泡流からスラグ流の流動様相が得られる条件で測定を行った．その結果，流動条件の変化に伴う高速かつ複雑な熱伝達変動特性を明瞭かつ定量的に測定することができた．
測定した熱伝達率分布を画像解析することで，沸騰の素過程（強制対流，核沸騰，ドライアウト，三相界線，リウェット）に区分し，各素過程が伝熱に及ぼす寄与度を調査した．その結果，本実験条件では液相の対流による伝熱が支配的であることや，薄液膜蒸発の寄与が全伝熱量を押し上げる効果があることを明らかにした．加えて，従来の伝熱予測式では考慮されていない三相界線による熱流束上昇や，ドライアウトやリウェットによる熱流束の低下や急上昇も局所的には伝熱量に大きな影響を及ぼすことを明らかにした．
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