| 研究課題/領域番号 |
21K03873
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 信州大学 |
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研究代表者 |
吉野 正人 信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)
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| 研究分担者 |
鈴木 康祐 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (10735179)
浅岡 龍徳 信州大学, 学術研究院工学系, 准教授 (30508247)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2023年度: 780千円 (直接経費: 600千円、間接経費: 180千円)
2022年度: 2,730千円 (直接経費: 2,100千円、間接経費: 630千円)
2021年度: 650千円 (直接経費: 500千円、間接経費: 150千円)
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| キーワード | 氷スラリー流 / 格子ボルツマン法 / 壁面ヌッセルト数 / 氷粒子クラスタ― / 融解・凝固 / 氷スラリー / 固液二相流 / 相変化 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
（1）融解・凝固などの固液相変化を考慮した熱移動解析モデルを開発し，計算効率の高い固液二相系の埋め込み境界ー格子ボルツマン法（固液二相系熱IB-LBM）を確立する．
（2）開発した計算コードを用いて，次世代の熱輸送媒体である氷スラリー（氷と液体の固液混相流）の熱流動シミュレーションを実施する．
（3）数値計算結果をもとに，粒子の空間的位置と熱流束の関係について考察し，
固体粒子が含まれることによる熱伝達性能の向上について，そのメカニズムを明らかにする．
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| 研究実績の概要 |
最終年度は、浮力を考慮した埋め込み境界-熱格子ボルツマン法（熱IB-LBM）を用いて、重力下における円管内氷スラリー流の計算を行い、氷粒子に作用する浮力ならびに氷粒子同士のクラスタ化が流動特性と熱伝達特性に与える影響について調べた。
まず、浮力の影響については、いずれのレイノルズ数においても氷粒子は浮力の影響を受けて流路上部を流れ、浮力を考慮しない場合と比較して壁面上の平均ヌッセルト数が増加した。これは、浮力の影響により氷粒子が熱源である円管壁面に近づいたことが要因であると言える。次に、付着の影響については、氷粒子同士が反発する場合と比較して、どのレイノルズ数においても壁面上の平均ヌッセルト数が減少した。これは、付着により氷粒子同士が密着することで氷粒子の実効的な表面積が減少し吸熱量が減少したことや、形成されたクラスタが熱源である円管壁面から離れて流路中心付近を流れたことが要因と考えられる。さらに、氷粒子同士の付着に加えて剥離も考慮したケースでは、いずれのレイノルズ数においても壁面上の平均ヌッセルト数が増加した。これは、氷粒子同士の付着により形成されたクラスタから氷粒子が剥離し、独立したことにより実効表面積が増えたため吸熱量が増加したことや、その剥離した氷粒子が熱源である円管壁面に接近したことが要因であることがわかった。
最後に、研究期間全体を通じて実施した研究の成果をまとめる。本研究では、熱IB-LBMを用いて管内氷スラリー流れの熱流動解析を行った。氷粒子まわりの熱移動のメカニズムを微視的な観点から詳細に調べることに成功し、管内氷スラリー流における冷却性能の向上に寄与する成果を得ることができた。なお、現在融解・凝固モデルの開発を行っている段階であるが、相変化現象を組み込んだ管内氷スラリー流れの詳細な解析は期間内に行うことができなかった。これについては今後の課題としたい。
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