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原子炉の冷却機循環ポンプや汚水の生物化学的処理用ポンプなどにおいては、ポンプ内の流れが気液二相流状態となる場合がある。このような状況下に置かれたポンプの静的および動的挙動に関する研究が最近ようやくなされるようになってきているが、まだ十分とはいえない。特に上記のような場合に対するポンプ系の安全解析や最適設計方法を確立する立場から、ポンプ内二相流の流動機構を解明し、解析手法を確立することは工学上急務な課題である。
本研究は、主として半径流形のうず巻ポンプを対象にして、気液二相流時、特に気泡流時におけるポンプ内部におけるボイド率分布や速度分布などの気液二相流動機構を解明し、さらにポンプ性能との関係についても明らかにするために始められたもので、今年度は特に数値解析による予測法の開発を行った。得られた成果は以下のように要約される。
(1)微細気泡の分散流を仮定した気泡流モデルを用いた場合、羽根車内二相流は準調和方程式で表される。この準調和方程式の有限要素法による解析と気泡の連動方程式の解析との連立三次元数値解析により、二相流動状態の詳細を求めることができる。得られボイド率分布や圧力分布は実験結果の傾向とかなり良く一致する。
(2)二相流動状態の三次元数値解析より得られる人口ボイド率α_0に対する羽根車の理論揚程の変化は、気泡流モデルがなり立つ程度にα_0が低い場合(α_0≦0.06)には実測値と一致する。また、運動量の交換量に相当するヘッドが実測された損失ヘッドの単相流時からの増加量と良く一致することより、本手法により二相流時のポンプ性能変化を予測することができる。
以上によりポンプ内二相流動機構はかなり明らかにできたと思うが、より大きな入口ボイド率の範囲まで適用するため引続き研究予定である。
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