伝熱・流動現象の高分解能同時計測による高温面冷却時のクエンチ現象の解明

通过高分辨率同时测量传热和流动现象来阐明高温表面冷却过程中的淬火现象

基本信息

批准号：
21J14677
负责人：
梅原裕太郎
金额：
$ 0.96万
依托单位：
The University of Electro-Communications
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-28 至 2023-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21J14677/
关键词：
クエンチ現象液膜冷却熱伝達率分布

项目摘要

高温鉛直面に沿って流下する液膜の先端で生じるクエンチ現象を、高速度カメラと赤外線サーモグラフィ（IRカメラ）を用いて詳細に観察し、観察された熱流動現象をもとに、液膜の流下速度を正確に見積もることのできる現象論的クエンチモデルを開発した。以下にその詳細を述べる。高温面を急速冷却することは、原子炉の事故時の緊急冷却や鋼材の熱処理（焼入れ）など工学的に極めて重要である。このクエンチ現象を解明するための代表的な実験として、高温面に沿って液膜を流下させ、液膜先端で生じるクエンチ現象を観察するものがある。既存研究では、クエンチ現象によって生じる温度変化をとらえることができなかったため、クエンチ時における熱伝達率分布の実験データを用いずに、実験的に得られた液膜の流下速度に合うように便宜的にクエンチモデル（熱伝達率分布）の開発がなされてきた。この結果、既存研究では、様々な形状のクエンチモデルが提案されており、異なる実験条件への適用性について、十分な検討がなされていなかった。上記の課題を解決するため、赤外線を透過するシリコンウェハを伝熱面材料として用いるとともに、IRカメラを用いて温度分布を計測し、得られたデータよりクエンチ時の熱伝達率分布を算出する手法を開発した。また、IRカメラと高速度カメラの同期撮影により温度分布挙動と液膜挙動の関連を考察し、クエンチ時の熱伝達率分布を決定するメカニズムとして、(1)液膜先端での主要な伝熱機構は核沸騰であること、(2)濡れ域と乾き域の間には遷移域が存在し、その幅は沸騰気泡径のオーダーであることを見出した。これらの結果を用いて、現象論に基づくクエンチモデルを新たに開発し、様々な伝熱面材質、液物性、初期伝熱面温度における液膜流下速度を±30％の精度で予測できることを確認した。

使用高速相机和红外热成像仪（IR相机）详细观察沿高温垂直表面流下的液膜尖端发生的淬灭现象，我们开发了一种可以准确估计的唯象淬灭模型。流量。详细内容如下所述。高温表面的快速冷却对于工程用途极为重要，例如核反应堆事故时的紧急冷却和钢材的热处理（淬火）。阐明这种淬灭现象的典型实验包括使液膜沿着高温表面向下流动并观察在液膜尖端发生的淬灭现象。现有研究中，无法捕获淬火现象引起的温度变化，因此不使用淬火时传热系数分布的实验数据，而是方便地计算以匹配液膜的下降速度已经开发出通过实验获得的淬火模型（传热系数分布）。因此，现有研究提出了各种形状的淬火模型，而没有充分考虑它们对不同实验条件的适用性。为了解决上述问题，我们开发了使用透射红外线的硅片作为传热表面材料，使用红外相机测量温度分布，并利用获得的数据计算淬火过程中的传热系数分布。。此外，我们使用红外相机和高速相机的同步摄影来考虑温度分布行为和液膜行为之间的关系，并确定了（1）液膜尖端的主要传热作为决定的机制。我们发现淬火过程中的传热系数分布是核态沸腾，并且（2）湿区和干区之间存在一个过渡区域，其宽度约为沸腾气泡直径。利用这些结果，我们开发了一种基于现象学的新淬火模型，并证实对于各种传热表面材料、液体物理性质和初始传热表面温度，液膜流速的预测精度可达±30%。。