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2017 年度 実績報告書

臨界点を跨ぐ超臨界流体中におけるマルチフィジックス熱流動のメカニズム解明

研究課題

研究課題/領域番号 16H04261
研究機関東北大学

研究代表者

山本 悟  東北大学, 情報科学研究科, 教授 (90192799)

研究分担者 古澤 卓  東北大学, 情報科学研究科, 助教 (80637710)
研究期間 (年度) 2016-04-01 – 2020-03-31
キーワード数値流体力学
研究実績の概要

今年度においては、以下の研究を実施した。
1.本研究で開発した高温・高圧環境における非平衡凝縮が正確に計算できる数理モデルを組み込んだ超臨界二酸化炭素熱流動の数値解法を用いて、MITが発表した遷音速ノズルを通る超臨界二酸化炭素熱流動の実験における非平衡凝縮現象を数値計算で再現することに成功した。本実験は、超臨界二酸化炭素を作動流体とする超臨界二酸化炭素発電用圧縮機内の翼列流路を模擬したものであり、実験により捕獲された二酸化炭素の非平衡凝縮を数値計算によっても確認することができたことから、本発電装置の開発において重要な知見を与えることができた。本研究の成果は、2018年3月に開催された第6回超臨界CO2発電サイクル国際シンポジウムで発表した。
2.JAXAからオクタンを用いた超臨界炭化水素熱流動の実験データを入手して、超臨界炭化水素熱流動の数値計算を実施した。その結果、化学反応が生じない温度域における計算では実験で得られた温度分布を良好に再現できることが分かったが、化学反応が起きるようなより高温域においては、化学反応による炭化水素の分解を考慮することが不可欠であることを把握したことから、来年度以降オクタンの化学反応をどのように考慮するか検討する必要がある。
3.RESSプロセスにおける非定常超臨界二酸化炭素流動の解明に高温・高圧環境における非平衡凝縮が正確に計算できる数理モデルを組み込んだ数値計算を実施した。しかしながら、現状では、妥当と思われる高分子物質の核生成が求められる段階にはなっていない。
4.1.-3.と並行して、超臨界流体の三次元熱流動が計算できるプログラムの構築を進め、超臨界水ならびに超臨界二酸化炭素の強制対流や自然対流を計算して、結果の妥当性を検証した。その研究成果は、10月に沖縄で開催された日韓熱流体工学会議や数値流体力学シンポジウムで発表した。

現在までの達成度 (区分)
現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

超臨界二酸化炭素の非平衡凝縮現象の解明において、MITの実験により報告されている現象を数値計算によっても再現することができ、本研究における大きな成果である。特に従来の手法ではそもそも数値計算では捕獲することができなかった現象の存在を確認した点は学術的に意義が高い。また、超臨界流体の三次元熱流動が計算できるプログラムの開発が進み、超臨界水ならびに超臨界二酸化炭素の強制対流や自然対流が計算できるようになった。一方、超臨界炭化水素の熱流動計算では、新たに炭化水素の化学反応による熱分解を考慮する必要性が明らかとなり、今度の課題である。また、RESSプロセスの再計算においても、非定常流動が高分子物質の核生成計算に影響を与えるという想定外のところで問題が発生したため、今後原因を解明する必要がある。

今後の研究の推進方策

超臨界二酸化炭素の非平衡凝縮現象の捕獲については、実験との検証により本研究における手法の信頼性が確認されたことから、今後は具体的な遷音速圧縮機翼列流れを想定した問題へと展開する。超臨界炭化水素の熱流動解明においては、本来複雑な炭化水素の化学反応を如何に簡略化して本手法に組み込めるかを探求することになる。RESSプロセスにおいては、現在軸対象を仮定して計算している問題を三次元に拡張して計算するなどの方策も考えられる。

  • 研究成果

    (8件)

すべて 2018 2017

すべて 雑誌論文 (3件) (うち査読あり 3件) 学会発表 (5件) (うち国際学会 1件)

  • [雑誌論文] Numerical Method for Simulating Supercritical CO2 Flows with High Pressure Nonequilibrium Condensation2018

    • 著者名/発表者名
      Takashi FURUSAWA, Hironori MIYAZAWA, Shota MORIGUCHI, Satoru YAMAMOTO
    • 雑誌名

      Proceedings of ASME Turbo Expo 2018: Turbine Technical Conference and Exposition

      巻: GT2018-75592 ページ: 1-10

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical Investigation of Transonic Supercritical CO2 Flows with Nonequilibrium Condensation in a Laval Nozzle2017

    • 著者名/発表者名
      Hironori Miyazawa, Takashi Furusawa, Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proc. 6th International Supercritical CO2 Power Cycles Symposium

      巻: - ページ: 1-13

    • 査読あり
  • [雑誌論文] Numerical Simulation of Three-dimensional Internal Flows of Transcritical Fluid with Cartesian Method Method2017

    • 著者名/発表者名
      Takashi Furusawa, Kenji Kagaya and Satoru Yamamoto
    • 雑誌名

      Proc. 9th JSME-KSME Thermal and Fluids Engineering Conference

      巻: - ページ: 1-6

    • 査読あり
  • [学会発表] 臨界点近傍条件における遷音速ノズル内部流動シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      古澤卓, 宮澤弘法, 山本悟
    • 学会等名
      日本機械学会2017年度年次大会
  • [学会発表] Numerical Analysis of High Pressure CO2 Flows with Nonequilibrium Condensation2017

    • 著者名/発表者名
      Takashi Furusawa, Hironori Miyazawa, Shota Moriguchi and Satoru Yamamoto
    • 学会等名
      14th Int. Conf. on Flow Dynamics, Sendai
    • 国際学会
  • [学会発表] 前処理法に基づく超臨界流体の熱流体シミュレーション(レイリーベルナール対流)2017

    • 著者名/発表者名
      松岡敬, 神保智彦, 古澤卓, 山本悟
    • 学会等名
      第31回数値流体力学シンポジウム
  • [学会発表] 前処理法に基づく超臨界流体の熱流体シミュレーション(正方形キャビティ内自然対流)2017

    • 著者名/発表者名
      神保智彦, 松岡敬, 古澤卓, 山本悟
    • 学会等名
      第31回数値流体力学シンポジウム
  • [学会発表] 高圧条件における二酸化炭素のラバルノズル内部非平衡凝縮シミュレーション2017

    • 著者名/発表者名
      古澤卓, 宮澤弘法, 森口昇太, 山本悟
    • 学会等名
      第31回数値流体力学シンポジウム

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公開日: 2018-12-17  

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