気液二相環状流の液膜構造に及ぼす表面張力及び重力の影響

ランキンサイクル、冷凍サイクルなど、作動流体の相変化を利用した熱輸送システムでは作動流体が気液の混在した気液二相流となる。このようなシステムの設計で問題となる部分は蒸発器であり、蒸発器内部の流動様式は主に環状噴霧流であることから、その液膜構造(液膜の厚さ、波の状況、液滴の発生、液膜流の安定性)を明らかにする必要がある。申請者はこれまで、落下塔による微小重力下で窒素ガス、水を作動流体に用いて、垂直管内気液二相環状流の流動実験を行い、液膜厚さの測定結果より、微小重力場では液膜が滑らかになる結果を得ている。これは、重力の低下により表面張力の影響が大きくなり、界面が滑らかになることによるためと考えられる。しかし、液膜厚さについては従来の研究を見渡しても明らかにされていない現状にある。そこで、液相(水)にオレイン酸ナトリウムを添加することで表面張力のみを変化させた水溶液を用いて、通常重力場(1G)及び微小重力場(μG)での実験を行い、液膜構造に及ぼす表面張力の影響について実験的に考察した。さらに、3つのレベルの重力場(2G,lG,10^<-2>G)を得ることのできる航空機実験での実験結果から液膜構造に及ぼす重力の影響を実験的に明らかにした。得られた結果を以下にまとめる。(1) 1Gでは表面張力の影響は見られないが、μGでは表面張力の低下により界面の波立ちが大きくなり液膜厚さが薄くなる。界面剪断力が増大したためと考えられる。(2) 航空機実験結果より、気相容積流束jG=14m/s以上では気液界面が重力の低下と共に滑らかになる様子は観察されるものの、液膜厚さへの重力の影響は見られない。しかし、j_G=3〜14m/sの範囲では重力の低下と共に液膜が滑らかになり平均液膜厚さも変化する。つまり、1Gに対し10^<-2>Gでは液膜厚さは薄くなり、2GではlGとほぼ同じであるが若干薄くなる傾向にある。

ランキンサイクル、冷凍サイクルなど、作動流体の相変化を利用した熱輸送システムでは作動流体が気液の混在した気液二相流となる。このようなシステムの設計で問題となる部分は蒸発器であり、蒸発器内部の流動様式は主に環状噴霧流であることから、その液膜構造(液膜の厚さ、波の状況、液滴の発生、液膜流の安定性)を明らかにする必要がある。申請者はこれまで、落下塔による微小重力下で窒素ガス、水を作動流体に用いて、垂直管内気液二相環状流の流動実験を行い、液膜厚さの測定結果より、微小重力場では液膜が滑らかになる結果を得ている。これは、重力の低下により表面張力の影響が大きくなり、界面が滑らかになることによるためと考えられる。しかし、液膜厚さについては従来の研究を見渡しても明らかにされていない現状にある。そこで、液相(水)にオレイン酸ナトリウムを添加することで表面張力のみを変化させた水溶液を用いて、通常重力場(1G)及び微小重力場(μG)での実験を行い、液膜構造に及ぼす表面張力の影響について実験的に考察した。さらに、3つのレベルの重力場(2G,lG,10^<-2>G)を得ることのできる航空機実験での実験結果から液膜構造に及ぼす重力の影響を実験的に明らかにした。得られた結果を以下にまとめる。(1) 1Gでは表面張力の影響は見られないが、μGでは表面張力の低下により界面の波立ちが大きくなり液膜厚さが薄くなる。界面剪断力が増大したためと考えられる。(2) 航空機実験結果より、気相容積流束jG=14m/s以上では気液界面が重力の低下と共に滑らかになる様子は観察されるものの、液膜厚さへの重力の影響は見られない。しかし、j_G=3〜14m/sの範囲では重力の低下と共に液膜が滑らかになり平均液膜厚さも変化する。つまり、1Gに対し10^<-2>Gでは液膜厚さは薄くなり、2GではlGとほぼ同じであるが若干薄くなる傾向にある。