2014 Fiscal Year Research-status Report
高温面スプレー冷却中の非定常遷移沸騰の素過程モデルの構築
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25420165
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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センター, 教授 (20253586)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 非定常遷移沸騰 / 液滴 / 高温面のぬれ |
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| Outline of Annual Research Achievements |
エタノールの自発核生成温度を超える最大260℃の高温面上で固液接触後の非定常沸騰で生じる高温面のぬれ状態から乾き状態に移行する遷移沸騰素過程を把握するため，単一液滴衝突実験とスプレー冷却実験を模擬した液滴列衝突実験を実施した．Ni円板上に３ｘ３の格子点に応答時間80μsの測温点を作成し，複数の測温点での同時温度計測による固液接触界面上の表面温度・熱流束分布を評価した．
単一液滴実験では，エタノールとFC-72液滴を用いて，高温面初期温度，液滴速度，サブクール度を変えて固液接触開始後のぬれ状態から非ぬれ状態の膜沸騰への移行に必要な蒸気膜生成時間を高速ビデオ観察と表面熱流束変化から評価した．蒸気膜生成時間は，数ｍｓ以下の短時間内での一次気泡の成長・合体による蒸気膜形成に必要な時間であり，固液接触後ぬれ状態が維持可能な時間を規定する．蒸気膜生成時間は，初期温度の低下と伴に長くなり，膜沸騰へ移行できない膜沸騰下限温度を確認した．下限温度は，サブクール度，衝突速度に関わらず自発核生成温度より20K程度低い一定値を示した．下限温度以下の高温面では，液膜破断で非ぬれ状態が生成される．エタノールの液膜破断は，蒸気膜生成時間の2倍以上となる10ms程度となる．
スプレー冷却中の非定常沸騰を模擬する液滴列衝突実験では，衝突周期1ms前後での膜沸騰から核沸騰への冷却曲線の測定と観察を実施した．クエンチ前の膜沸騰域では，衝突直後のぬれに伴う急冷と蒸気膜形成後の乾き状態での復熱に対応する大きな温度変動と固液接触面上の温度不均一性を得た．一方，クエンチ開始は，液滴衝突周期に占める蒸気膜生成時間のduty比の増加との対応することが分かった．周期的固液接触の状況下での蒸気膜生成時間と固液接触開始の初期表面温度との関係は，単一液滴での結果に対して低温側へシフトし，固体側非定常熱伝導の影響が現れることが分かった．
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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
スプレー冷却を模擬する液滴列衝突実験については，実験装置の改修により液滴径と衝突周期を一様に制御した条件で実施可能となった．連続液滴衝突実験で膜沸騰から遷移沸騰を経て核沸騰に至る非定常冷却過程の固液接触面上の複数の測温点上での表面温度と表面熱流束履歴が得られ，固液接触面の空間的な非定常沸騰熱伝達が高速ビデオ撮影画像に基づくぬれ面から乾き面への変化と伴に把握できるようになった．ただし，固液の接触状況を定量的に把握するためのレーザー干渉法の適用は，現在光学系の調整段階で次年度での実施となった．また，同時並行で進めている単一液滴衝突実験と液滴列衝突実験で得られた蒸気膜生成時間は，高温面上でのぬれ開始温度が液滴の衝突周期の影響を強く受けて変化することが明らかになったが，その定性的な説明については，現在進行中である．
研究の目的の達成に必要な必要な非定常遷移沸騰熱伝達の高速計測技術の開発は，ほぼ計画通り進んでおり，蓄積された非定常データに基づくぬれ開始条件のモデル化を今後さらに推進する必要がある．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後の研究については,研究計画書の内容に従って実施する．
具体的には，まず本年度実施できなかった固液接触面のぬれ面と乾き面を光干渉法で判別し三相境界線の非定常変化抽出方法の開発に注力し，高温面のぬれ状態から乾き状態に至る非定常遷移沸騰熱伝達の分布と高温面上に残留する液膜で覆われたぬれ領域の縮小過程と対応付けを行う．
次に，H25，H26年度の単一液滴衝突実験および連続液滴冷却実験で得られた非定常熱伝達データに基づき，高温面上に液滴が周期的に衝突する状況をシミュレーションした固体側の３次元非定常熱伝導計算と高温面上の熱伝達との連成解析を実施し，スプレー冷却中の非定常熱伝達のモデルを検討する．モデル計算では，高温面上でのぬれ状態を支配する蒸気膜生成時間に対する固体側の周期的温度変化の影響（冷却開始固体初期温度，液滴衝突周期）を明らかにする．モデル計算で明らかにした ぬれ開始条件に基づき，既に得られているスプレー冷却実験での冷却温度曲線のぬれ開始温度，クエンチ温度の特性に及ぼす，固体側材質，高温面初期温度，液サブクール度，スプレー質量流束の影響について，定性的な説明を試みる．
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