非平衡凝縮に遭遇する超臨界流体を支配するマルチフィジックス熱流動の解明

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近年，超臨界二酸化炭素を作動流体とする次世代の発電技術の研究・開発が進められている．その構成要素の一つである遠心圧縮機の内部では，臨界点に近い高圧条件下において二酸化炭素の非平衡凝縮が生じる可能性が指摘されている．一方で，高圧条件下の非平衡凝縮現象については未解明な点が多く，流動場や圧縮機の翼への影響は明らかにされていない．昨年度はそのような二酸化炭素の流動を解析するための数値解法を開発し，高圧条件下の非平衡凝縮を伴う二次元ノズル内流れの実験と数値シミュレーションとの比較によって，その妥当性を示した．また“凝縮が生じない”と仮定したケースとの比較によって流れ場への影響を評価した．本年度はまず初めに，臨界点に近い高圧条件下において二酸化炭素の非平衡凝縮が生じる流れについて，数値シミュレーションの際に理想気体を仮定した場合と実在気体を仮定した場合に生じる流れ場への影響を明らかにするために，二次元のラバルノズル内流れの実験を対象とした数値解析を行った．ノズルのセンターライン上の静圧分布をそれぞれ実験値と比較したところ，実在気体を仮定したケースでのみ，実験で見られた凝縮潜熱による圧力回復を捉えた．一方で，理想気体を仮定したケースはノズルの膨張部において静圧が実験値と大きくかけ離れた．以上の結果から，高圧条件下における非平衡凝縮が生じる流れの数値シミュレーションを行う際には実在気体効果の考慮が必要不可欠であることを示した．次に，二次元を対象に設計された計算プログラムを三次元へと拡張し，同様のノズル内流れ実験を対象としてプログラムの検証を行い，その妥当性を確認した．この三次元化したプログラムをさらに発展させ，超臨界二酸化炭素を作動流体とする遠心圧縮機の内部流動を解析するためのプログラムの開発に取り組み，ディフューザを除く翼列区間を通過する流れを解析できるまでに至った．