ミスト生成を伴う着霜現象の数値予測及びミストを利用した着霜低減手法に関する研究

雾气产生结霜现象的数值预测及雾气减霜方法研究

• 批准号: 22KJ2918
• 负责人: 服部 皓大
• 金额: $ 1.09万
• 依托单位: Waseda University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KJ2918/
• 关键词: 着霜現象; 数理モデル; ミスト化; 着霜低減; エアロゾル; 相変化; 極低温; 熱交換器

本研究は、極低温伝熱面上での着霜現象の特徴であるミスト化（空気中の水蒸気が冷却面の近傍で相変化し、微小な水滴や氷粒子となる現象）に着目し、着霜数理モデルの開発と着霜低減法の確立を目指す研究である。数理モデルとしては、昇華凝結とミスト堆積の二つの霜形成メカニズムを考慮した数理モデル化を行い、氷点から極低温までの幅広い伝熱面温度に適用可能な数理モデルの構築を目的とする。また、着霜低減法としては、エアロゾル粒子を使用して意図的にミスト化を促進し、着霜低減を図る手法を提案し、その有効性を明らかにすることを目的とする。本年度は、主に数値モデル化に関する研究として、ミスト堆積による霜形成過程の数理モデル化に取り組み、すでに開発した昇華凝結過程の数理モデルと統合した。同時に、－25度から―170度までの幅広い冷却面温度で着霜実験を行い、実験的な現象の調査にも取り組んだ。構築した数理モデルを用いて、着霜実験を模した計算を行い、極低温伝熱面上での着霜でみられる特徴的な現象が数値解析上でも大まかに再現できることを確認した。数理モデルの改良のために、重力沈降や熱泳動などの影響を追加したところ、解析精度が向上し、特に熱泳動が霜形成において重要であることを明らかにした。今後、より詳細な着霜メカニズムの解明や、低温熱交換器の高性能化、設計効率化などへの応用が期待される。また、着霜低減法に関する研究としては、エアロゾル粒子としてアリゾナテストダストを主流中に混入することで、-50 ℃から-150 ℃の幅広い伝熱面温度で着霜量が低減し、最大で30％程度の着霜低減効果があることを明らかにした。エアロゾル粒子の物理的・化学的性質や供給濃度とミスト化促進・着霜低減効果との定量的な関係などについて、より詳細な調査を行うために実験装置の構築にも取り組んだ。

On this study は, extremely low temperature heat 伝 で の の frost phenomenon, 徴 で あ る ミ ス ト change (empty 気 の water steam 気 が cooling surface の nearly alongside で phase - し, tiny な droplets や 氷 particle と な る) に the し, the frost mathematical モ デ ル の open 発 と frost low subtraction の establish を refers で す research あ る. Mathematical モ デ ル と し て は, sublimation, condensation と ミ ス ト accumulation is の two つ の frost formation メ カ ニ ズ ム を consider し た mathematical モ デ ル を line い, 氷 point か ら extremely low temperature ま で の picture hiroo い 伝 heat surface temperature may な に apply mathematical モ デ ル の build を purpose と す る. ま た, low frost subtraction と し て は, エ ア ロ ゾ を ル particles using し て meaning 図 に ミ ス ト を promoting し, the frost low cut を 図 る を proposal し, そ の have sharper sex を Ming ら か に す る こ と を purpose と す る. は this year, the main に the numerical モ デ ル change に masato す る research と し て, ミ ス ト accumulation に よ る frost formation の mathematical モ デ ル に take み り group, す で に open 発 し た sublimation condensation process の mathematical モ デ ル と integration し た. に, at the same time - 25 degrees か ら - 170 degrees ま で の picture hiroo い cooling surface temperature で frost be 験 を い, be 験 な phenomenon の survey に も group take り ん だ. Build し た mathematical モ デ ル を with い て, the frost be 験 を die し た count を い, extremely low temperature 伝 hot surface で の frost で み ら れ る な phenomenon of 徴 が on the numerical analytical で も big ま か に reappearance で き る こ と を confirm し た. Improved mathematical モ デ ル の の た め に, gravity heat sink や swimming な ど の influence を additional し た と こ ろ, analytical precision が し upward, に hot swimming が frost formation に お い て important で あ る こ と を Ming ら か に し た. In the future, よ り detailed な frost メ カ ニ ズ ム の interpret や, low temperature heat exchanger の high rate of performance-based, design services な ど へ の 応 with が expect さ れ る. ま た, low frost subtraction に masato す る research と し て は, エ ア ロ ゾ ル particle と し て ア リ ゾ ナ テ ス ト ダ ス ト を に in mainstream with す る こ と で, - 50 ℃ か ら - 150 ℃ の picture hiroo い 伝 hot surface temperature で frost quantity が low し reduction degree of 30%, maximum で の frost low cut sharper fruit が あ る こ と を Ming ら か に し た. エ ア ロ ゾ の physical, chemical properties of ル や supply concentration と ミ ス ト change, promote the frost low cut sharper fruit と の quantitative な masato is な ど に つ い て, よ り な detailed survey line を う た め に be 験 device の build に も group take り ん だ.

项目成果

Numerical prediction of frost formation on a cryogenic plate considering mist generation using general dynamic equation

使用一般动力学方程考虑雾生成的低温板上结霜的数值预测

• 发表时间: 2021
• 作者: HATTORI;A.;TOKAWA;S.;MORINAGA;Y.;CHEN;W.;UEDA;A.;YOSHIDA;M.;SATO;T.
• 通讯作者: T.

Numerical Research on Effects of Gravitational Settling and Thermophoresis of Mist Particles on Frost Formation under Cryogenic Conditions

低温条件下雾粒重力沉降和热泳对霜形成影响的数值研究

• 发表时间: 2023
• 作者: Hattori;A.;Ueda;A.;Yoshida;M.;Hirai;R.;Sato;T.
• 通讯作者: T.

極低温冷却面上の霜結晶構造に関する実験的研究

低温冷却表面霜晶结构实验研究

• 发表时间: 2023
• 作者: 植田晃弘;服部皓大;陳衛偉;吉田幹男;平井理久;佐藤哲也
• 通讯作者: 佐藤哲也

エアロゾルを用いたミスト化促進による着霜低減効果に関する研究

气溶胶促雾减霜效果研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 服部皓大;十川悟;植田晃弘;吉田幹男;佐藤哲也
• 通讯作者: 佐藤哲也

線香を用いたミスト化促進による円管伝熱面への着霜低減効果に関する研究

香促雾减少圆管传热面结霜效果研究

• 发表时间: 2022
• 作者: 吉田幹男;十川悟;服部皓大;植田晃弘;佐藤哲也
• 通讯作者: 佐藤哲也