Elucidation of ice slurry flow with heat transfer by microscopic approach including solid-liquid phase change

通过固-液相变等微观方法阐明传热冰浆流动

基本信息

批准号：
21K03873
负责人：
吉野正人
金额：
$ 2.66万
依托单位：
Shinshu University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
财政年份：
2021
资助国家：
日本
起止时间：
2021-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21K03873/
关键词：
格子ボルツマン法氷スラリー固液二相流融解・凝固相変化

项目摘要

固液相変化モデル（融解・凝固モデル）の構築とそれを伴う熱流動解析手法の開発を行った．本研究では，応力テンソルの不連続に基づく埋め込み境界－格子ボルツマン法に，温度の計算と融解・凝固による境界の移動計算を導入し，融解・凝固を伴う熱流動問題を解析するための手法の開発を行った．まず，実装した融解・凝固モデルの妥当性検証として，一次元半無限領域，二次元正方形領域，二次元円管領域，および三次元半無限領域における問題の計算を行った．その結果，固相が自由運動しない場合では既存の結果と良く一致することがわかった．一方，固相が自由運動する場合では，固相にはたらく流体力の差に起因する結果の相違が見られた．ただし，比較した参照データは，内部質量の影響を計算していないため，流体力を正しく評価できていないことが考えられることに注意が必要である．次に，構築した融解・凝固を伴う熱流動計算法を氷スラリー（微細な氷と液体の固液二相混合物）の熱流動問題に適用した．二次元正方領域内に氷粒子（一定の低温条件）を一個配置し，壁面となる境界には一定の高温条件，流れ方向の入口・出口間には圧力差を伴う周期境界条件を用いることで，発熱する二次元流路内を氷スラリーが流動する様子を再現し，計算を実行した．その結果，流路幅および空塔速度で無次元化した時刻が450の時，氷粒子の質量は初期に比べて約45%減少した．また，融解による固相の変形がない場合と比較して，氷粒子の重心は流路中心に向かうことがわかった．さらに，壁面上の空間平均ヌッセルト数は若干低下する結果となった．これは，氷粒子の表面積が減少したことや，熱源である壁面から遠ざかったことが原因と考えられる．

我们构建了固-液相变模型（熔化/凝固模型）并开发了热-水力分析方法。在本研究中，我们将基于应力张量不连续性的嵌入式边界格子玻尔兹曼方法引入由于熔化和凝固而引起的温度计算和边界运动计算，并开发了一种分析涉及熔化和凝固的热水问题的方法。首先，为了验证所实现的熔化/凝固模型的有效性，我们计算了一维半无限域、二维方形域、二维圆管域和三维半无限域中的问题。领域。当固相不能自由移动时，结果与现有结果非常吻合。另一方面，当固相自由运动时，由于作用在固相上的流体力的不同，观察到结果的差异。但需要注意的是，对比参考数据并未计算内部质量的影响，因此可能无法正确评估流体力。接下来，我们将所开发的涉及熔化和凝固的热水力计算方法应用于冰浆（细冰和液体的固液两相混合物）的热水力问题。通过将一个冰粒（恒定低温条件）放置在二维正方形区域中，在成为壁面的边界处使用恒定高温条件，并在入口和出口之间使用具有压力差的周期性边界条件流动方向，我们通过再现产生热量的二维流路中的冰浆流动来进行计算。结果，当通道宽度和空塔速度无量纲化的时间为450时，冰粒的质量与初始时间相比减少了约45%。还发现，与固相没有因熔化而变形的情况相比，冰粒的重心向通道中心移动。此外，壁表面的空间平均努塞尔数略有下降。这被认为是由于冰粒表面积的减少以及它们远离作为热源的壁面。