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伝熱・流動現象の高分解能同時計測による高温面冷却時のクエンチ現象の解明

通过高分辨率同时测量传热和流动现象来阐明高温表面冷却过程中的淬火现象

基本信息

批准号：
21J14677
负责人：
梅原裕太郎
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14677/
关键词：
クエンチ現象液膜冷却熱伝達率分布

项目摘要

高温鉛直面に沿って流下する液膜の先端で生じるクエンチ現象を、高速度カメラと赤外線サーモグラフィ（IRカメラ）を用いて詳細に観察し、観察された熱流動現象をもとに、液膜の流下速度を正確に見積もることのできる現象論的クエンチモデルを開発した。以下にその詳細を述べる。高温面を急速冷却することは、原子炉の事故時の緊急冷却や鋼材の熱処理（焼入れ）など工学的に極めて重要である。このクエンチ現象を解明するための代表的な実験として、高温面に沿って液膜を流下させ、液膜先端で生じるクエンチ現象を観察するものがある。既存研究では、クエンチ現象によって生じる温度変化をとらえることができなかったため、クエンチ時における熱伝達率分布の実験データを用いずに、実験的に得られた液膜の流下速度に合うように便宜的にクエンチモデル（熱伝達率分布）の開発がなされてきた。この結果、既存研究では、様々な形状のクエンチモデルが提案されており、異なる実験条件への適用性について、十分な検討がなされていなかった。上記の課題を解決するため、赤外線を透過するシリコンウェハを伝熱面材料として用いるとともに、IRカメラを用いて温度分布を計測し、得られたデータよりクエンチ時の熱伝達率分布を算出する手法を開発した。また、IRカメラと高速度カメラの同期撮影により温度分布挙動と液膜挙動の関連を考察し、クエンチ時の熱伝達率分布を決定するメカニズムとして、(1)液膜先端での主要な伝熱機構は核沸騰であること、(2)濡れ域と乾き域の間には遷移域が存在し、その幅は沸騰気泡径のオーダーであることを見出した。これらの結果を用いて、現象論に基づくクエンチモデルを新たに開発し、様々な伝熱面材質、液物性、初期伝熱面温度における液膜流下速度を±30％の精度で予測できることを確認した。

High temperature lead surface flow along the edge of the liquid film phenomenon, high speed, infrared ray (IR) to use detailed observation, observation of heat flow phenomenon, liquid film flow velocity to correctly see the integration of the phenomenon of development. The following is a detailed description. Rapid cooling of high temperature surfaces, emergency cooling of steel in the event of an accident in an atomic furnace, and heat treatment (burning) are extremely important for engineering. This phenomenon is represented by the following phenomena: high temperature surface, flowing down along the liquid film, and liquid film tip. Existing studies on the occurrence of temperature changes in the phenomenon of heat transfer have been carried out in the field of heat transfer rate distribution, and the development of liquid film flow velocity has been obtained. The results, existing research, and the shape of the proposal are different from each other. The applicability of the conditions is different from each other. To solve the above problems, we developed a method for measuring the temperature distribution of thermal surface materials and infrared radiation transmission. The relationship between temperature distribution and liquid film motion is investigated. The heat transfer rate distribution at the top of the liquid film is determined.(1) The main heat transfer mechanism at the top of the liquid film is nucleate boiling.(2) The migration domain exists between the wet domain and the dry domain. These results are based on phenomenological analysis and are verified with accuracy of ±30% for hot surface material, liquid properties, initial hot surface temperature, and liquid film flow velocity.