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Elucidation of ice slurry flow with heat transfer by microscopic approach including solid-liquid phase change

通过固-液相变等微观方法阐明传热冰浆流动

基本信息

批准号：
21K03873
负责人：
吉野正人
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03873/
关键词：
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

项目摘要

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．

The structure of solid-liquid phase transformation (melting and solidification) is developed by thermal flow analysis method. This study is aimed at introducing the calculation of temperature, melting and solidification, and the calculation of movement of boundary, analyzing the problems of melting and solidification, and developing methods for solving heat flow problems. The calculation of the problem of the one-dimensional semi-infinite domain, the two-dimensional square domain, the two-dimensional tube domain, and the three-dimensional semi-infinite domain. The result of the solid phase is free motion. In the case of the solid phase, the result of the existence is good. On the one hand, the solid phase is free to move, on the other hand, the solid phase is free to move, on the other hand, the fluid force difference causes, on the other hand, the result is contrary to each other. The influence of internal mass is calculated by comparing with reference, and the fluid force is evaluated. Secondly, the calculation method of heat tracing flow in the structure of melting and solidification is applicable to the thermal flow problems of fine liquids and solid-liquid two-phase mixtures. A configuration of particles (under certain low temperature conditions) in a quadratic cubic domain, a pressure difference between a wall surface and a boundary surface under certain high temperature conditions, a flow direction, an inlet and an outlet, and a periodic boundary condition are used. As a result, the amplitude of the flow path and the velocity of the empty tower have not been reduced to 450. At this time, the mass of the particles has decreased by about 45% compared with the initial period. When the solid phase is melted, the center of gravity of the particle is opposite to the center of the flow path. The spatial average number of particles on the wall is lower than the average number of particles on the wall. The surface area of the particle decreases, and the heat source decreases.