気泡停滞下における限界熱流束の解明および予測モデルの構築

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液体が管内を下向きに流れる下降流では，沸騰によって生成された気泡の浮力による上昇速度と液体の下降速度が釣り合う条件では，気泡が停滞する特殊な条件が生じる．伝熱面近傍で気泡が停滞し，伝熱面への液体の供給を阻害することで，局所的に空焚きの状態となり，伝熱が急激に劣化する限界熱流束の発生につながる恐れがある．沸騰関連機器の安全設計においては限界熱流束の発生機構の把握ならびに予測が必要となる．そこで，まずは上昇流と下降流におけるサブクール沸騰気泡挙動を把握するために，作動流体に水を用いた強制流動沸騰系における伝熱実験および気泡観察実験を行った．テストセクションは1面をステンレス伝熱面，残り3面を透明ポリカーボネートとする片面加熱矩形流路である．ハイスピードカメラを用いて気泡挙動を観察し，取得画像に対して画像処理を行うことで，気泡直径，気泡速度を取得した．結果より，上昇流の場合，気泡直径が大きくなるとともに気泡の上昇速度が増加する傾向を得た．一方，下降流の場合，多くの沸騰気泡が壁面に付着しているとともに，逆流する気泡を確認することができた．次に，従来の水を作動流体とする実験に対し，熱物性の影響を得るために，冷媒を作動流体とする強制流動沸騰ループを構築し，限界熱流束実験を行った．下降流の限界熱流束発生機構はテーラー波長を代表長さとして分類できると考え，実験条件下では，冷媒の表面張力が水の表面張力の値の7分の1程度となることを考慮し，管内径4 mmと8 mmを対象に実験を行った．管内径4 mmの場合，上昇流と下降流ともに，環状流液膜ドライアウトによると考えられる限界熱流束が発生し，質量流束の増加と伴に単調増加する傾向を示し，限界熱流束の値にあまり差は見られなかった．一方，管内径8 mmの場合，上昇流と下降流の限界熱流束は大きく異なる特性を得ることができた．