高温熱機器の熱媒体温度変動と熱疲労の研究

1992 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 03650165
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 石黒 亮二 北海道大学, 工学部, 教授 (20001167)
• 研究分担者: 榎戸 武揚 北海大学, 工学部, 教授 (10001992) ; 杉山 憲一郎 北海大学, 工学部, 助教授 (10002015)
• キーワード: 流体温度ゆらぎ / 壁面温度ゆらぎ / 熱応力 / 熱疲労 / プラントル数 / ペクレ数

研究概要

高温の熱機器における構造材が、機器中を流れる熱媒体の温度変動によって繰り返し熱応力をうけ、その結果疲労する現象が、原子炉の安全性との関連などで最近重要視されている。この現象を理解するためには、まず熱媒体の温度ゆらぎの発生機構とその大きさを知り、次にその温度ゆらぎが構造材に与える熱応力を評価しなければならない。熱媒体の温度ゆらぎは、高温固体面との接触によることが最も一般的な発生原因であるから、この研究では、高温円筒をよぎる流体がその後流においてどのような温度ゆらぎを示すのかを一つのモデルに定めて検討を進めてきた。前年度には、液体金属など測定や可視化といった実験的検討の因難な熱媒体への応用を意識しつつ温度ゆらぎの相似性について検討し、基礎式の上ではペクレ数を一致させることで、一応の相似性が得られることを明確にしたが、流れ場や温度場の境界条件が複雑に影響を与えることもまた明らかになった。従って、今年度の検討では、流れ場を可視化の容易な水流で観察することとし、より詳細な検討を行った。その結果直列の管列においては、2列目、3列目の流れには、前列からの影響によって至って複雑な乱れや流れの片寄りが見られ、それがまた前列の発生する渦による時間的な変動を伴って脉動することによって、簡単に相似性の得られない場を形成することが明らかになった。これは、管群型熱交換器の局所熱伝達率が時間と共に変動する原因とも見られる。熱応力に関しては、熱媒体温度変動のみならず構造材内部の温度変化との連成問題となるため、この点に関する更なる検討が必要である。