2017 Fiscal Year Annual Research Report

Simulation of a supercritical fluid flow at hydrothermal system

Research Project

Project/Area Number	26610119
Research Institution	Nihon University
Principal Investigator	小紫誠子日本大学, 理工学部, 准教授 (90318361)
Project Period (FY)	2014-04-01 – 2018-03-31
Keywords	超臨界流体 / 高圧一定 / 高温度差 / 深海熱水噴出流 / 計算モデル / 圧縮性方程式 / 非圧縮数値解法
Outline of Annual Research Achievements	本年度は，これまでに構築した圧力一定の下での超臨界流体の流れを扱う計算モデルの検証に取り組んだ．研究課題である深海の超臨界熱水の流れのように，高圧一定で低温から超高温までの温度変化を伴う流れは計算も困難であるが，実験はさらに困難である．また深海探索が進んでいるとは言え観測データは十分ではなく，計算モデルの検証においては，超臨界流体の流れの別の問題を扱う．本研究では，臨界圧力下における，臨界温度より僅かに低温の流体中に挿入した熱線から発生する熱対流の計算を実施した．これについては過去に，超臨界二酸化炭素を用いた実験が行われている．本問題において，熱線で温められた超臨界流体と周囲の液体との温度差が僅かであるような場合は，流れ場への影響が無視できないとされる界面張力を考慮する簡易的なモデルを計算モデルに組み込み計算を進めた．その結果，定性的には実験結果と同様に，熱線から高温域が柱状に分布する様子が観察され，現実の現象が再現された．実際，界面張力を考慮しない計算も実施したが，高温域が熱線の長さ方向全体から立ち上るような温度分布となり，実験結果のような長さ方向に間欠的に高温域が分布する柱状分布とはならなかった．このことは，この問題において界面張力の流れ場への影響が無視できないというこの実験でのひとつの主張に沿うものである．しかしながら，熱線の径に比べて流れ場のスケールが大きく異なる本問題は，計算上高精度で捉えることはそもそも困難であり，熱線温度の僅かな変化で高温域の分布が変化する実験結果に対して，本計算では，明確に温度分布が変化する様子は認められなかった．そこで，計算モデルのさらなる信頼性を確保すべく，垂直一様温度壁から超臨界流体中への熱伝達を測ることで流動現象を捉えるといった方策を考えている．本年度において，計算モデルの信頼性はある程度確保された．