気泡流の気泡周りの流動特性と乱流構造に関する研究

2000 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 11450072
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 有冨 正憲 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 教授 (60101002)
• 研究分担者: 大川 富雄 大阪大学, 工学研究科, 講師 (20314362) ; 木倉 宏成 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助手 (00302985)
• キーワード: 流体力学 / 気泡流 / 乱流 / 超音波パルスのドップラ効果 / 多点ボイド率計測装置 / 粒子-流体モデル / 気泡周りの流動特性 / 画像処理

研究概要

100mm×20mmの垂直矩形流路に気泡上昇流を形成させ、超音波流速分布計測計(UVP)を用いて二相流の瞬時流速分布を計測した。得られたデータを統計的に処理をすることで、気泡周りの液相の微視的な流動特性を調べる研究を行い以下のことを明らかにした。
(1)気液界面近傍における、液相の速度勾配は流量条件に寄らずにほぼ一定となる。
(2)気泡から2mm以上離れた領域において、気相流量の増加によって液相の乱れも増加する。
(3)気泡周りの速度分布は、三つの領域に分類することが出来る。
(4)更に各領域の厚さは気泡レイノルズ数とボイド率に依存する。
(5)気泡周りの流動構造は、先行気泡の影響の有無によりことなり、液相の乱れは、先行気泡によって発生した後流渦のために増加し、層流から乱流への遷移が促進される。
さらにUVPを用いたボイド率分布の計測精度を検討するため、ワイヤーメッシュ型の多点ボイド率・気相流速分布計測装置を開発し、垂直矩形流路内の気泡上昇流のボイド率計測と気泡速度分布計測に適用し、以下のことを明らかにするとともに次年度以降の研究基盤を構築した。
(1)気泡上昇速度はビデオによる画像処理によって求めた速度と比較して、気相速度は200〜400mm/sの範囲で、±5%の偏差であり、その精度はサンプリング周波数に大きく依存し、サンプリング周波数が大きいほど、精度は向上する。
(2)気泡径はクラスタリングアルゴリズムを用いることにより、気泡上昇速度に関わらず十分計測可能である。
(3)気相みかけ速度は相流流量と比較して、気相速度が1250mm/sの範囲で気相速度が低いときによく一致しているが、気相速度が高いときは30%までの偏差がある。しかしながら、ボイド率が20%までの範囲では、偏差はボイド率にほとんど依存しない。

研究成果

• [文献書誌] Kikura,H.,Aritomi,M.,Suzuki,Y.and Mori,M: "Investigation of Structure around Bubbles using Ultrasonic Doppler method"Heat Transfer Science and Technology 2000. 512-517 (2000)
• [文献書誌] Kikura,H.,Murakoso,H,Suzuki,Y.,Aritomi,M: "Liquid Flow Structure around Bubbles on Bubbly Flows in a Rectangular Channel"Proc.the U.S-Japan Seminar on Two-Phase Flow Dynamics. 393-400 (2000)
• [文献書誌] Suzuki,Y.,Nakagawa,M.,Aritomi,M.,Kikura,H.and Mori,M.: "Measurement of the Flow around Bubbles using the Ultrasonic Velocity Profile Monitor - on the Influence of the Measurement Volume -"Prog.of the 4th Japan-Korea Seminar on Advanced Reactors. Vol.3. 93-99 (2000)
• [文献書誌] Suzuki,Y.,Nakagawa,M.,Aritomi,M.,Kikura,H.and Mori,M.: "Investigation on the Bubble Boundary Layer in Bubbly Counter-Current Flows"Proc.the 8th International Conference on Nuclear Engineering. Paper No.8333. 1-8 (2000)
• [文献書誌] Richter,S.Aritomi,M.and Hampel,R: "A New Electrode-Mesh Tomograph for Advanced Studies on Bubbly Flow Characteristics"Proc.the 4th Workshop on Stationary and Transient Two-Phase Flow Measurement Techniques. 20-30 (2000)
• [文献書誌] Richter,S.Aritomi,M.and Hampel,R: "Algorithms for the Application of a New Electrode-Mesh Tomograph for Advanced Studies on Bubbly Flow Characteristics"Proc.the 4th Japan-Korea Symposium on Advanced Reactors. 112-120 (2000)