超流動ヘリウム混相流を用いた極低温高速冷却システムに関する研究

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13750131
• Research Category: Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 石本 淳 弘前大学, 理工学部, 助教授 (10282005)
• Keywords: 超流動ヘリウム / 混相流 / キャビテーション / 気泡 / 沸騰 / 極低温 / 冷却 / 管内流

Research Abstract

超流動ヘリウム混相流の効果的活用による高速冷却システム開発および高性能化ための基礎研究として,オリフィスを有する二次元鉛直円管内における液体ヘリウムキャビテーション流れに関し,多流体モデルとEulerian-Lagrangianモデルに基づく超流動性を考慮に入れた基礎方程式系の定式化と数値解析を行うとともに,可視化画像処理を用いた実証実験を行い以下の知見を得た.
・He I(常流体)キャビテーション発生時,特に気相生成が活発な高ボイド率領域においては,蒸気相生成の際に液相から蒸発潜熱が奪われることにより液相温度がλ点以下まで降下し,He IからHe II(超流体)への相転移が発生し極低温混相流動特性の大幅な変化が生ずることを明らかにした.
・キャビテーション生成に基づくHe IIへの相転移時に生ずる超流体の対向流と,超流体温度こう配に起因する気泡運動を効果的に制御することにより,超流体混相流を活用した従来より高効率の冷却システムの構築が期待できることを明らかにした.
・超流動ヘリウム高速キャビテーション流の可視化計測装置を設計・試作し,高速度ビデオカメラを用いた流動場の観測と管内圧力・温度分布の測定を行った.その結果,He Iのキャビテーション発生時に温度降下が生じHe IIの超流動と極めて類似した流動特性を示すことを確認した.

Research Products

• [Publications] Jun Ishimoto: "Numerical Analysis of Two-Phase Pipe Flow of Liquid Helium Using Multi-Fluid Model"Transactions of the ASME, Journal of Fluids Engineering. 123・4. 811-818 (2001)
• [Publications] Jun Ishimoto: "Two-Dimensional Numerical Simulation of Cavitating Flow of Superfluid Helium II"Proceedings of the First International Symposium on Advanced Fluid Information, AFI-2001. 245-250 (2001)
• [Publications] 石本淳: "超流動ヘリウムキャビテーション流れの数値シミュレーション"第65回 2001年度秋期低温工学・超伝導学会講演概要集. 162 (2001)
• [Publications] 石本淳: "超流動 He IIキャビテーション流れの数値解析"日本機械学会流体工学部門講演会講演概要集. 111 (2001)