高精度なボイド率測定手法を適用した沸騰水素の熱流動特性の解明

使用高精度空隙率测量方法阐明沸腾氢的热水力特性

基本信息

批准号：
20J01907
负责人：
坂本勇樹
金额：
$ 3.08万
依托单位：
Japan Aerospace EXploration Agency
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2020
资助国家：
日本
起止时间：
2020-04-24 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

液体水素は航空宇宙分野における燃料として使用されるのみならず，地上社会でのエネルギー輸送手段としてなど，その需要は増加している．液体水素はエネルギー密度の観点で優位である一方，大気圧での沸点が-253℃と低く，容易に沸騰するという課題がある．特に配管内で沸騰し気液二相流状態に遷移すると，空間的・時間的にダイナミックに流動状態が変動するため，ロケット運用等では気液二相流状態を避ける運用がなされている．これに対して，より高効率かつより安全な宇宙輸送やエネルギー輸送を実現するには，沸騰状態を含めて液体水素の流動制御を行うことが必須となる．２０２１年度は，①沸騰状態を含めた水素の配管流動シミュレーターの開発，②堅牢なボイド率測定技術の開発，③沸騰水素の流動特性取得試験準備に取り組んだ．①に関しては，市販の物理モデルシミュレーターをベースに，沸騰水素に適用可能な独自の熱流動モデルを組み込んだ．これにより非定常の１次元解析を実現し，サブクール沸騰から発達した核沸騰領域の熱伝達率を高精度に推定できることから，定量的にも実験と一致する結果を得ている．②に関しては，博士課程時に所属していた研究室との協力のもと，沸騰水素に適用可能なセンサの開発を行い，水素流動配管への適用を行った．定量的な比較には至っていないものの，液体水素環境下で気液混合特性を計測できること，極低温環境でもリーク等の異常が生じないことを確認している．③に関しては，昨年度課題となった供試体入口での熱侵入を解消すべく，入熱の小さな流量計測法を検討した．また，年度末の試験を目指し，ボイド率計の製作等を実施し試験準備を完了した．なお試験自体は１２月末での身分変更に伴い実施を見送っている．

液体氢不仅被用作航空航天场中的燃料，而且还用作地面社会中能源运输的一种手段，并且需求量正在增加。液体氢在能量密度方面具有优势，但是在-253°C时，其沸点在大气压下较低，这很容易沸腾。特别是，当在管道中沸腾并过渡到气体液体两相流量状态时，流态在空间和时间上都动态地变化，因此使用火箭操作来避免气体 - 液体两相流量状态。相比之下，为了实现更高效，更安全的空间和能量运输，必须控制液态氢的流动，包括沸腾状态。在2021财年中，我们研究了1）开发氢气流量模拟器，包括沸腾状态，2）开发稳健的空隙速率测量技术，以及3）准备测试以获得沸腾氢的流量特征。关于1，我们合并了一个独特的热流模型，该模型可以基于市售物理模型模拟器应用于沸腾的氢。这允许进行不稳定的一维分析，并可以高精度估计由亚冷沸腾开发的成核沸腾区域中的传热速率，从而导致与实验一致的定量结果。关于2，与我隶属于博士计划的实验室合作，我们开发了一种可以应用于沸腾氢的传感器，并将其应用于氢流管道。尽管尚未进行定量比较，但已证实可以在液态氢环境中测量气体液体混合特性，即使在极低的温度环境中，泄漏和其他异常也不会发生。关于③，我们研究了一种测量热输入流量的方法，以消除样品入口处的热量渗透，这是去年的挑战。此外，出于财政年度结束的目的，该公司能够制造空白比电表并完成了测试的准备工作。考试本身由于在12月底的状态变化而被暂停。

项目成果

期刊论文数量（3）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

水平円管内での沸騰水素二相流の熱流動特性に関する研究

水平圆管内两相沸腾氢气流热工水力特性研究

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
坂本勇樹;小林弘明;成尾芳博;竹崎悠一郎;佐藤哲也
通讯作者：
佐藤哲也

宇宙開発と水素社会実現へ向けた液体水素の利活用技術

航天开发与氢社会实现的液氢利用技术

DOI：
发表时间：
2020
期刊：
影响因子：
0
作者：
中山淳;山本雄介;坂本勇樹
通讯作者：
坂本勇樹

Investigation of boiling hydrogen flow characteristics under low-pressure conditions - Flow regime transition characteristics

低压条件下沸腾氢气流动特性研究——流态转变特性

DOI：
10.1016/j.ijhydene.2020.12.038
发表时间：
2021
期刊：
International Journal of Hydrogen Energy
影响因子：
7.2
作者：
Sakamoto Yuki;Kobayashi Hiroaki;Naruo Yoshihiro;Takesaki Yuichiro;Nakajima Yo;Kabayama Koki;Sato Tetsuya
通讯作者：
Sato Tetsuya