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

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。

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。