| 研究課題/領域番号 |
14550174
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
木村 繁男 金沢大学, 自然計測応用研究センター, 教授 (70272953)
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| 研究分担者 |
岡島 厚 金沢大学, 自然科学研究科, 教授 (80013689)
木綿 隆弘 金沢大学, 自然科学研究科, 助教授 (40225107)
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| キーワード | 相変化 / 自然対流 / 連成熱伝達 / 対流熱伝達 / レイリー数 / ヌッセルト数 / 数値解析 / 飽和多孔質体 |
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| 研究概要 |
本研究の目的は、2成分溶液内での凝固過程の動的挙動に着目し、そのプロセス(固化領域の厚さ及び凝固速度)を制御するために、簡便でかつ実用的に十分な精度を有する非定常一次元凝固解析モデルを提案することにある。これにより凝固過程の非定常特性を支配する無次元パラメータを同定し、かつこれらのパラメータと非定常な固相の成長特性との関係を明らかにすることができる。さらに、18cmx18cmx18cmの矩形水槽と硝酸ナトリウムを用いた室内実験を併せて行い、同モデルの妥当性を検証した。硝酸ナトリウム水溶液は前年度に実施した炭酸ナトリウム水溶液に比べ共晶濃度が大きく、共晶温度も低いため、共晶濃度以下での初期水溶液濃度を種々設定することができる。境界条件は上方冷却と下方冷却の二種類について実験と解析を行なった。上方冷却の場合は水溶液の密度分布は不安定となり、活発な自然対流が発生する。また、固相の成長に伴い溶質の排出があるため、液相内ではほぼ一様に濃度が増加して行くのが認められた。これは液相部が自然対流により活発に撹拌されていることを示している。実際液相内での鉛直方向温度分布は典型的な逆S字形となっており、温度差に基づく対流が支配的であることが確認できた。しかし、時間が経過すると下層での濃度が増加し、また下層の熱伝導領域が固液界面側に比べ厚くなっており、加熱面側に対流に関与しない安定した層が形成されていることがわかった。このため、温度差から予測される熱流束よりも50%ほど小さいものであった。また、固液界面の不安定現象により固相は針状結晶の集合体でマッシ-層を形成することになる。マッシ-内の固相率が一定であると仮定して鉛直方向の1次元モデルを提案し、固相成長の経時変化を精度良く予測することが出来た。下方冷却についても同様のモデルを提案し、下方冷却面から成長する固相(マッシ-層)の成長を予測することが出来た。さらに地中熱交換器の集熱量予測に関連して、鉛直円柱周りの凝固と自然対流を解析した。
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