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2022 年度 実施状況報告書

固液相変化を考慮したミクロなアプローチによる氷スラリー熱流動現象の解明

研究課題

研究課題/領域番号 21K03873
研究機関信州大学

研究代表者

吉野 正人  信州大学, 学術研究院工学系, 教授 (00324228)

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)
研究期間 (年度) 2021-04-01 – 2024-03-31
キーワード格子ボルツマン法 / 氷スラリー / 固液二相流 / 融解・凝固 / 相変化
研究実績の概要

固液相変化モデル(融解・凝固モデル)の構築とそれを伴う熱流動解析手法の開発を行った.本研究では,応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界-格子ボルツマン法に,温度の計算と融解・凝固による境界の移動計算を導入し,融解・凝固を伴う熱流動問題を解析するための手法の開発を行った.
まず,実装した融解・凝固モデルの妥当性検証として,一次元半無限領域,二次元正方形領域,二次元円管領域,および三次元半無限領域における問題の計算を行った.その結果,固相が自由運動しない場合では既存の結果と良く一致することがわかった.一方,固相が自由運動する場合では,固相にはたらく流体力の差に起因する結果の相違が見られた.ただし,比較した参照データは,内部質量の影響を計算していないため,流体力を正しく評価できていないことが考えられることに注意が必要である.
次に,構築した融解・凝固を伴う熱流動計算法を氷スラリー(微細な氷と液体の固液二相混合物)の熱流動問題に適用した.二次元正方領域内に氷粒子(一定の低温条件)を一個配置し,壁面となる境界には一定の高温条件,流れ方向の入口・出口間には圧力差を伴う周期境界条件を用いることで,発熱する二次元流路内を氷スラリーが流動する様子を再現し,計算を実行した.その結果,流路幅および空塔速度で無次元化した時刻が450の時,氷粒子の質量は初期に比べて約45%減少した.また,融解による固相の変形がない場合と比較して,氷粒子の重心は流路中心に向かうことがわかった.さらに,壁面上の空間平均ヌッセルト数は若干低下する結果となった.これは,氷粒子の表面積が減少したことや,熱源である壁面から遠ざかったことが原因と考えられる.

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

構築した融解・凝固モデルは,固相が自由運動する場合においてさらなる検討が必要であるが,概ね確立したと言える.

今後の研究の推進方策

構築した融解・凝固を伴う熱流動解析手法を三次元に拡張し,大規模並列計算用の固液二相系埋め込み境界-格子ボルツマン計算コードを作成する.また,氷スラリー流れの三次元熱流動シミュレーションを実施し,氷粒子が流れる空間的位置と熱伝達特性の関係を明らかにする.

次年度使用額が生じた理由

データ保存用のHDDの必要個数が減少したため,当初の金額と使用額に若干差が生じた.次年度は,研究成果報告のための学会参加費の一部として使用する予定である.

  • 研究成果

    (15件)

すべて 2023 2022

すべて 雑誌論文 (4件) (うち査読あり 4件、 オープンアクセス 4件) 学会発表 (11件) (うち招待講演 1件)

  • [雑誌論文] アイススラリーの流動様相に及ぼす気泡と水溶液濃度の影響2023

    • 著者名/発表者名
      松本葵、浅岡龍徳
    • 雑誌名

      日本冷凍空調学会論文集

      巻: 40 ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 流動するアイススラリー中の氷の凝集によるブロック状流れの発生条件2023

    • 著者名/発表者名
      原崎太希、浅岡龍徳
    • 雑誌名

      日本冷凍空調学会論文集

      巻: 40 ページ: -

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] 融解・凝固を考慮した応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界-格子ボルツマン法の開発と妥当性検証2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • 雑誌名

      計算数理工学論文集

      巻: 22 ページ: 61-72

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [雑誌論文] Sensitivity to the application range of buoyancy force in the diffuse-interface immersed boundary method2022

    • 著者名/発表者名
      ENDO Madoka、SUZUKI Kosuke、YOSHINO Masato
    • 雑誌名

      Journal of Fluid Science and Technology

      巻: 17 ページ: JFST0015

    • DOI

      10.1299/jfst.2022jfst0015

    • 査読あり / オープンアクセス
  • [学会発表] 矩形狭窄部を含む二次元流路内における氷スラリー流の熱流動解析2022

    • 著者名/発表者名
      塩見凌大、吉野正人、鈴木康祐
    • 学会等名
      第59回伝熱シンポジウム
  • [学会発表] 矩形狭窄部を含む三次元ダクト内における氷スラリー流の熱流動解析2022

    • 著者名/発表者名
      川上嵩仁、吉野正人、鈴木康祐
    • 学会等名
      第59回伝熱シンポジウム
  • [学会発表] 応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界-格子ボルツマン法の融解・凝固問題への適用2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • 学会等名
      第59回伝熱シンポジウム
  • [学会発表] 応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界-格子ボルツマン法による融解・凝固を伴う移動境界流れの数値計算2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • 学会等名
      混相流シンポジウム2022【オンライン開催】
  • [学会発表] 格子ボルツマン法による二相流問題の数値シミュレーション2022

    • 著者名/発表者名
      吉野正人
    • 学会等名
      化学工学会 粒子・流体プロセス部会 熱物質流体工学分科会セミナー2022【オンライン開催】
    • 招待講演
  • [学会発表] 氷スラリーの流動様相に氷の凝集が及ぼす影響2022

    • 著者名/発表者名
      原崎太希、浅岡龍徳
    • 学会等名
      2022年度日本冷凍空調学会年次大会
  • [学会発表] アイススラリーの流動様相に及ぼす気泡と液相濃度の影響2022

    • 著者名/発表者名
      松本葵、浅岡龍徳
    • 学会等名
      熱工学コンファレンス2022
  • [学会発表] 応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界-格子ボルツマン法を融解・凝固問題へ適用した際の妥当性検証2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • 学会等名
      第36回数値流体力学シンポジウム【オンライン開催】
  • [学会発表] 埋め込み境界-格子ボルツマン法を用いた矩形狭窄部を含む正方形ダクト内における氷スラリー流の熱流動解析2022

    • 著者名/発表者名
      川上嵩仁、吉野正人、鈴木康祐
    • 学会等名
      第36回数値流体力学シンポジウム【オンライン開催】
  • [学会発表] 埋め込み境界―格子ボルツマン法を用いた融解・凝固を伴う熱流動解析2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • 学会等名
      化学工学会 岡山大会2022
  • [学会発表] 融解・凝固を考慮した応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界―格子ボルツマン法の開発と氷スラリー流れへの応用2022

    • 著者名/発表者名
      遠藤円、鈴木康祐、吉野正人
    • 学会等名
      日本機械学会北陸信越支部 2023年合同講演会

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公開日: 2023-12-25  

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