2023 Fiscal Year Final Research Report

High spatiotemporal resolution measurements of boiling heat transfer in a minichannel to investigate dynamic heat transfer mechanisms

Research Project

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Project/Area Number	21K03908
Research Category	Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
Allocation Type	Multi-year Fund
Section	一般
Review Section	Basic Section 19020:Thermal engineering-related
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)
Principal Investigator	NAKAMURA Hajime 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)
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)
Project Period (FY)	2021-04-01 – 2024-03-31
Keywords	伝熱 / 沸騰 / 計測 / 可視化 / 動的メカニズム / 赤外線イメージング
Outline of Final Research Achievements	The fast and complex heat transfer fluctuations of water flow boiling in a rectangular minichannel were measured using an infrared camera with high spatiotemporal resolution (2000fps, 0.025mm/pixel). The measurements were carried out under the conditions of a mass flux of 150kg/(m^2・s), wall heat flux of 40 to 120kW/m^2, and the vapor quality corresponding bubble flow and slug flow. The results revealed that forced convection was dominant under the conditions investigated here, accounting for approximately 85-95% of the total heat transfer. In addition, the contribution of the thin liquid film evaporation formed between the vapor plug and the wall surface had the effect of increasing the total heat transfer. Additionally, it was revealed that the fundamental processes which were not considered in conventional heat transfer formulae, such as three-phase contact line, dryout, and rewetting, had significant impacts on local heat transfer.
Free Research Field	熱工学
Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements	熱交換器の小型化・高性能化を目的として流路の微細化が進められており，空調用では辺長1mm程度の矩形微細流路を並列化した扁平多孔管熱交換器が開発されている．ただし，流動沸騰に内在する高速かつ複雑な熱伝達変動特性は現状ではあまり明らかにされていない．熱伝達変動特性が明らかになれば，流動沸騰熱伝達の学術的理解が深まると共に，熱伝達予測式の精度向上や，数値シミュレーションの高精度モデル構築への貢献が期待できる．本研究では，高速度赤外線カメラを用いた手法が熱伝達変動特性を調査する上で有効であることを示した．また，気泡流とスラグ流の測定を行い，沸騰熱伝達を構成する各素過程の寄与度について調査した．