超流動ヘリウムの沸騰熱伝達とそれに伴う振動/カオス現象の研究

超流氦沸腾传热及相关振动/混沌现象的研究

• 批准号: 02F00106
• 负责人: 村上 正秀
• 金额: $ 1.54万
• 依托单位: University of Tsukuba
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2002
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2002 至 2004
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-02F00106/
• 关键词: 超流動ヘリウム; 沸騰熱伝達; 圧力振動; 温度振動; continuous wavelet analysis; 熱伝達係数; カオス解析; 可視化; 自己組織化臨界現象

2003年の会計年度に「超流動ヘリウムの沸騰熱伝達とそれに伴う振動/カオス現象の研究」のいくつかの研究結果を日本学術振興会(JSPS)の経済的援助の下で得られた。超流動ヘリウム(He II)中での沸騰現象は、通常流体での沸騰とは非常に多くの差違があり、かなり特徴的なものである。我々は、可視化のみならず、圧力振動測定、超伝導温度センサーによる温度振動測定、という多方向からの観測をHe II中での沸騰現象の研究に用いた。その結果:1.ノイジー膜沸騰中の温度振動と、圧力振動の間の強い相関が検出され、その振動は、continuous wavelet analysis(CWT)法によって解析された。それにより、ノイジー膜沸騰での支配的な20-30Hzの圧力振動が、信号全体に拡がっている事が分かった。この支配的な周波数は、より小さな泡が振動する事によりt<0.1sではより高くなる。圧力振動の第二高調波における支配的な周波数もまた、スケイログラム(尺度分析)よりはっきりと分かる。一方で、温度振動のCWT分析の結果は、圧力振動と違う特色を示す。温度振動の支配的な周波数は、基本的に圧力振動と同じであり、この二つの振動に強い相関がある事を示す。温度振動の支配的な周波数は、加熱を止めた後すぐに上昇する。これは、圧力振動が局地的な蒸気泡の流体力学と、全体のそれを示すのに対し、温度振動が局地的な蒸気泡の流体力学を示す事を表している。このようにCWTは、フーリエ解析ではできない、詳細な定量的な情報を与えた。2.挿入深さ(ヒーターと水面との距離)が沸騰状態に影響する重要な要因である事が分かった。約38cm以上の深さでは、沸騰状態は、十分に発達しきっていない膜沸騰状態である。挿入深さの減少にともない、沸騰状態は熱伝達係数が深さに弱く依存するノイジー膜沸騰領域に変化する。熱伝達係数が約25cmまで増加するのは、より頻繁にヒーターの表面と接触し熱伝達能力が向上する為と考えられる。熱伝達係数が散乱し始め、その後より高い値に急増する挿入深さ約15cmに減少すると、沸騰状態は遷移沸騰領域に変化する。沸騰状態は、それより挿入深さが減少すると、サイレント膜沸騰状態に遷移する。サイレント膜沸騰では、熱伝達係数は連続的に減少する。ノイジー膜沸騰領域では、圧力振動の支配的周波数と熱之達係数の間に、相関がある事も観測された。3.ヒーター表面の温度の測定による熱伝達能力の測定を行なった。膜沸騰時の熱伝達能力はヒータ表面にかかる圧力ヘッドと、ヘリウムのバス温度に依存している事が分かった。バス温度がlambda温度に近い時は、深さにほとんど依存せず、Breen-Westwater相関で関連させる事ができるのに対し、バス温度が低い時は、熱伝達係数は挿入深さに依存し、二つの領域に分ける事ができる。ノイジー膜沸騰領域の境界とサイレント膜沸騰領域の境界との距離は、バス海度が上昇するに伴い接近する。これは、lambda温度に近い温度の時、サイレント膜沸騰への遷移が、より深い挿入深さで起こるという事を示している。

In fiscal year 2003, the research results of "Study on the phenomenon of hypermobility accompanied by vibration/turbulence" were obtained with the assistance of the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS). Superflow (He II) in the boiling phenomenon, usually fluid boiling, very many differences, characteristics, etc. This article is about the research of boiling phenomenon in He II, including visualization, pressure vibration measurement, temperature vibration measurement, multi-directional vibration measurement. The results are as follows:1. The strong correlation between temperature vibration and pressure vibration in film boiling is analyzed by continuous wavelet analysis(CWT) method. The pressure vibration of 20-30Hz is controlled by film boiling, and the signal is divided into two parts. The number of cycles controlled by this wave is small and small. The frequency of the second high-order wave of the pressure vibration is determined by the frequency of the second high-order wave. The results of CWT analysis of temperature vibration and pressure vibration are shown. The number of cycles governed by temperature vibration is the same as that of the basic pressure vibration. The number of cycles governed by temperature vibration increases after heating. The fluid dynamics of pressure vibration and local vapor bubble, the whole system, and the fluid dynamics of temperature vibration are described. CWT, CWT 2. The depth of penetration (the distance between the water surface and the boiling state) is an important factor affecting the separation of events. More than 38cm deep, boiling state, ten minutes to reach the film boiling state The heat transfer coefficient depends on the depth of the film boiling field. Heat transfer coefficient is about 25cm. Heat transfer coefficient is about 25 cm. The heat transfer coefficient increases rapidly from the beginning to the end, and decreases rapidly from the depth of about 15cm to the boiling state. The boiling state is reduced and the film boiling state is transferred. Film boiling, heat transfer coefficient and continuous reduction In the film boiling domain, the number of cycles and the coefficient of heat transfer are controlled by the pressure vibration. 3. Measurement of surface temperature and thermal conductivity The heat transfer capability of film boiling depends on the temperature of the surface. Temperature lambda Temperature lambda The boundary of film boiling field is close to the boundary of film boiling field, and the boundary of film boiling field is close to the boundary of film boiling field The temperature is near the middle temperature, and the film boiling temperature is transferred from the middle temperature to the middle temperature.

项目成果

P.Zhang: "An investigation of the stability of the vapor-liquid interface of the film boiling in He II"Proc. of ICEC19. (in press). (2003)

P.Zhang：“He II 中薄膜沸腾的汽液界面稳定性的研究”Proc.

P.Zhang: "A Study of The Fractal Fluctuation Characteristic in The Calibration of The Cryogenic Thermocouples"Proc. of ICCR'2003. (in press). (2003)

张平：“低温热电偶校准中的分形涨落特性研究”，论文集：

P.Zhang: "Fractal study of the fluctuation characteristic in the calibration of the cryogenic thermocouples"Cryogenics. V43(1). 53-58 (2003)

P.Zhang：“低温热电偶校准中波动特性的分形研究”Cryogenics。

P.Zhang: "Investigation of the chaotic pressure fluctuation induced by the vapor bubble oscillation in the film boiling of superfluid helium"Heat and Mass Transfer, DOI 1O.1007/s00231-002-0366-z. V39(in press). (2003)

P.Zhang：“超流氦薄膜沸腾中气泡振荡引起的混沌压力脉动的研究”《传热与传质》，DOI 1O.1007/s00231-002-0366-z。

P.Zhang: "A study of the fractal fluctuation characteristic in the calibration of the cryogenic thermocouples"Proc.of ICCR'2003. 777-780 (2003)

张鹏：“低温热电偶校准中分形涨落特性的研究”Proc. of ICCR2003。