液体水素の高効率輸送に向けた気泡初生に対する量子効果発現機構の解明及びモデリング

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将来の水素エネルギー社会を実現するための重要な課題の一つは，水素の輸送・貯蔵の高効率化である．近年では，水素エネルギー利用の効率化に向けて液体水素を輸送・貯蔵するシステムの開発が進められている．液体水素は僅かな熱侵入などにより気化しやすいため，液体水素を用いる流体機器の安全性および効率の向上のためには，機器内の気液混相流特性の詳細理解が重要である．しかしながら，気液混相流解析において気液相変化を規定するために必要となる液体水素中における発泡のしやすさ（気泡核生成速度）はよくわかっていない．以上を踏まえて本研究では，水素を対象とした気液混相流解析の精度向上に向けて，液体水素の量子性（原子核位置の不確定性）が気泡核生成に及ぼす影響を解明することを目的としている．本年度は，気液間の微視的な密度分布の影響を考慮できる密度汎関数理論を用いて，液体水素中の気泡核生成速度を評価した．また，量子性が顕在化しない流体（古典流体）に対する解析結果と比較することで，量子性が気泡核生成に及ぼす影響を評価した．その結果，対臨界温度と無次元過熱度を揃えた条件では，水素の量子性は気泡核生成速度を小さくすることが確認された．これは，昨年度に量子分子動力学シミュレーションにより評価した数値実験結果とも定性的に合致する．また，このように気泡核生成速度が低下するのは，量子性を考慮することで，系を構成する分子の平均熱運動エネルギーに対して気泡核生成に必要な最小仕事（エネルギー障壁）が大きくなるためであることが確認された．一方で，温度と臨界半径（気泡核が自発的に成長するために必要なサイズ）を用いて量子流体と古典流体のエネルギー障壁をスケーリングすると，両者がその半径方向分布も含めて概ね一致することから，エネルギー障壁に対する量子効果の影響は温度と臨界半径により見通しよく整理し得ることが示唆された．