マイクロスケール流体力学と相変化現象に関する研究

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沸騰等の相変化を伴う熱流体力学現象のマイクロスケールな相変化現象の解明を目的として研究を行い、次の成果が得られた。1.狭い水平矩形管内における単相流、サブクール沸騰および沸騰二相流の熱流動特性テフロン製基板上の厚さ18μmの銅箔ヒーターで挟んだ隙間寸法0.6mm〜2.07mm、幅8mm、長さ200mmの平行平板間の水平矩形流路に、入口蒸気クオリティ0〜0.3の水または水二相流を100kg/m^2s〜2,000kg/m^2sの質量流束で流し、一様熱流束100kW/m^2〜600kW/m^2で両面のヒーターを加熱することにより、狭い隙間内の沸騰二相流を形成させ、圧力損失と熱伝達率を測定した。圧力損失の測定ではテスト部出入口間の差圧を差圧変換器で測定し、熱伝達率の測定では予めダブルブリッジで銅箔の局所抵抗値の温度依存性を測定し、この結果をもとに抵抗測定からヒーター表面温度を求めた。沸騰二相流の熱伝達率は、2.07mmから1.58mmへの隙間間隔の減少に対して変化しなかったが、さらに1.09mm,0.60mmへと隙間間隔を減少させるにつれて、減少した。これは狭い隙間で沸騰伝熱が促進されるという従来の結果に反しているが、狭い隙間では気泡の成長が抑制されるため沸騰に対してより高い過熱度を必要とするという理論的予測および細管で沸騰伝熱が抑制されるという従来の結果と矛盾しない。この沸騰熱伝達は低クオリティで流速の影響を受けるが、高クオリティでは流速の影響を受けない。また、この隙間内の沸騰熱伝達率はRohsenowのプール沸騰熱伝達率より大きい。この隙間内の沸騰熱伝達率の実験式を求めた。隙間内の水単相流の摩擦圧力損失係数は通常流路の摩擦圧力損失係数よりも大きくなった。この単相流摩擦圧力損失の実験結果を用いて隙間内二相流摩擦損失の実験結果を無次元化し二相流増倍係数を求めた結果、通常流路に対するChisholm,ロシア標準法、Martinelli-Nelson、均質流のモデルから計算した二相流増倍係数よりも小さくなった。2.垂直環状流路内におけるポストドライアウト熱伝達狭い流路では蒸気温度が上がるためポストドライアウト熱伝達率は普通の流路より低下することがわかった。