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

• 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
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J01907/
• 关键词: 液体水素; ボイド率; 熱伝達率; 流動様式; 気液二相流; 1Dシミュレーション

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．

The demand for liquid fuels in the aerospace sector is increasing. Liquid water has a high density and a low boiling point. It is easy to boil. In particular, the boiling liquid two-phase flow state in the piping is transferred, the spatial and temporal characteristics of the flow state are changed, and the application of the boiling liquid two-phase flow state is avoided. In 2021, ① the development of piping flow regime including water element in boiling state, ② the development of firmness measurement technology, ③ the preparation of test for obtaining flow characteristics of boiling water element. 1. In relation to the physical properties of the market, boiling water is applicable to the possible independent thermal flow. The unsteady one-dimensional analysis is realized, and the heat transfer rate in the nucleate boiling domain is estimated with high accuracy. 2. The cooperation between the research room and the doctor's course is related to the application of boiling water element, and the application of water element flow pipe. The quantitative comparison is to measure the mixing characteristics of gas and liquid in liquid water environment, and to confirm the abnormal occurrence of gas and liquid in extremely low temperature environment. 3. To solve the problem of heat intrusion at the inlet of the test sample, the method of heat intrusion and small flow measurement was discussed. At the end of the year, the test is directed to the production of the test rate. At the end of December, the identity of the company was changed.

项目成果

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

• 发表时间: 2020
• 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

• 发表时间: 2020
• 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