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

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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．