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

阐明和模拟气泡引发的量子效应表达机制，以实现液氢的高效传输

• 批准号: 20J12642
• 负责人: 高橋 竜二
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Kyushu University
• 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 2022-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J12642/
• 关键词: 水素; 気泡核生成; 量子性

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．

In the future, an important <s:1> な issue <e:1> in the を society of <s:1> hydrogen エネ ギ ギ ギ <s:1> is the するため <s:1> important な topic <e:1> of を reality. One of the most significant な issues <e:1> is the high-efficiency である of hydrogen <s:1> transportation and storage. Recent で は, water element エ ネ ル ギ ー using の working rate is changed to け に element を て liquid water transport, storage 蔵 す る シ ス テ ム の open 発 が into め ら れ て い る. Liquid water element は only か な heat invasion な ど に よ り 気 change し や す い た め, liquid water element を use い る fluid machine の security お よ び の sharper rate upward の た め に は, machine inside の 気 liquid miscible flow features の detailed understanding が important で あ る. し か し な が ら, 気 liquid miscible flow parsing に お い て 気 liquid - the を rules す る た め に necessary と な る liquid water element に お け る 発 bubble の し や す さ (気 bubble nucleation speed) は よ く わ か っ て い な い. Above tread を ま え て in this study で は, water element を like と seaborne し た 気 liquid miscible flow analytical precision の に upward to け て, liquid water element の quantum (the nucleus position の uncertainty) が 気 nucleate generated に and ぼ す influence を interpret す る こ と を purpose と し て い る. This year は 気 の between liquid micro visual な density distribution で の influence を き る density masato を number theory with い て, liquid water element の 気 bubble nucleation speed を review 価 し た. ま た, quantum が 顕 in turn し な い fluid (classical fluid) に す seaborne る parsing results と す る こ と で, quantum が 気 nucleate generated に and ぼ す を appraisal of 価 し た. そ の as a result, the critical temperature と seaborne no dimensional superheat を Jian え た conditions で は, quantum nature water element の は 気 を small bubble nucleation speed さ く す る こ と が confirm さ れ た. こ れ は, yesterday's annual に quantum molecular dynamics シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ り review 価 し た the numerical be 験 results と も qualitative に close to す る. ま た, こ の よ う に 気 bubble nucleation rate low が す る の は, quantum を consider す る こ と で, department を constitute す る molecular の average thermal motion エ ネ ル ギ ー に し seaborne て 気 nucleate generated に necessary な shi is least (エ ネ ル ギ ー barrier) が big き く な る た め で あ る こ と が confirm さ れ た. One party で, temperature と critical radius (気 nucleate が since 発 に growth す る た め に necessary な サ イ ズ) を with い て quantum fluid と classical fluid の エ ネ ル ギ ー barrier を ス ケ ー リ ン グ す る と, who struck が そ の radius direction distribution contains も め て almost consistent ね す る こ と か ら, エ ネ ル ギ ー barrier に す seaborne る quantum unseen fruit の influence は temperature と critical radius に よ り see tong し よ く finishing し must る こ と が in stopping さ れ た.

项目成果

Investigation of quantum effect of liquid hydrogen on homogeneous bubble nucleation using a density functional theory and molecular dynamics simulations

使用密度泛函理论和分子动力学模拟研究液氢对均匀气泡成核的量子效应

• DOI: 10.1016/j.fluid.2021.113300
• 发表时间: 2022
• 期刊: Fluid Phase Equilibria
• 影响因子: 2.6
• 作者: Ryuji Takahashi;Hiroki Nagashima;Takashi Tokumasu;Satoshi Watanabe;Shin-ichi Tsuda
• 通讯作者: Shin-ichi Tsuda

密度汎関数理論および量子分子動力学による極低温水素の量子性が気泡核生成速度に及ぼす影響の解析

利用密度泛函理论和量子分子动力学分析低温氢的量子性质对气泡成核率的影响

• 发表时间: 2021
• 作者: 髙橋竜二;永島浩樹;徳増崇;渡邉聡，津田伸一
• 通讯作者: 渡邉聡，津田伸一

液体水素の量子性が気泡核生成の微視的過程に及ぼす影響の分子論的検討

液氢量子特性对气泡成核微观过程影响的分子研究

• 发表时间: 2020
• 作者: Ryuji Takahashi;Hiroki Nagashima;Takashi Tokumasu;Satoshi Watanabe;Shin-ichi Tsuda;高橋竜二，永島浩樹，徳増崇，渡邉聡，津田伸一
• 通讯作者: 高橋竜二，永島浩樹，徳増崇，渡邉聡，津田伸一

Density functional analysis of atomic nuclear quantum effect on homogeneous bubble nucleation in liquid hydrogen

液氢中均匀气泡成核原子核量子效应的密度泛函分析

• 发表时间: 2021
• 作者: Ryuji Takahashi;Hiroki Nagashima;Takashi Tokumasu;Satoshi Watanabe;Shin-ichi Tsuda
• 通讯作者: Shin-ichi Tsuda

Molecular kinetic analysis of quantum effect on bubble nucleation in liquid hydrogen

液氢气泡成核量子效应的分子动力学分析

• 发表时间: 2020
• 作者: Ryuji Takahashi;Hiroki Nagashima;Takashi Tokumasu;Satoshi Watanabe;Shin-ichi Tsuda
• 通讯作者: Shin-ichi Tsuda