超流動ヘリウムのファウンテン効果を利用した超伝導導体の冷却向上に関する研究

利用超流氦喷泉效应改善超导冷却的研究

• 批准号: 17760175
• 负责人: 濱口 真司
• 金额: $ 1.98万
• 依托单位: National Institute for Fusion Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• 财政年份: 2005
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2005 至 2006
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-17760175/
• 关键词: 超流動ヘリウム; ファウンテン効果; 熱・物質輸送; 非定常熱輸送; 多孔質材; 二流体モデル; 数値解析; 熱物質輸送; 曲がり率; 乱流; 有限差分法

次世代の高磁場用超伝導線材開発が積極的に推し進められており、その一つにNb3Sn導体の表面に冷却を促進させるための多孔質材インシュレーションを施した線材が考えられている。これを実現するためには多孔質材内部の非常に狭い隙間を流れる超流動ヘリウムの熱・物質輸送特性を把握する必要がある。そこで本研究では、ファウンテン効果に起因する多孔質材内部の超流動ヘリウムの熱・物質輸送特性を明らかにすることを目的とした。平成18年度は多孔質材を介した超流動ヘリウムの非定常熱・物質輸送について、数値解析コードの開発を行なった。平成17年に開発した数値解析コードを基にし、非定常熱・物質輸送の解析能となるよう拡張した。本コードは基礎式としてゴーター・メリンクの相互摩擦を考慮した超流動ヘリウムの2流体モデルの式が用いられており、他に多孔質材内部の曲がり度・平均細孔径、常流動成分の摩擦損失、体糸内のヘリウム容量が考慮された。本コードを用いて多孔質材(CSi)を用いた飽和超流動ヘリウムの非定常熱・物質輸送実験に関して数値解析を行なった。その結果、ゴーター・メリンクの相互摩擦、多孔質材内部の曲がり度、常流動成分の摩擦損失が定常熱・物質輸送特性を決定し、多孔質材内部の平均細孔径、体糸内のヘリウム容量が非定常熱・物質輸送特性を決定することを明らかにした。本研究成果は、第21回国際低温工学会議(ICEC21)において、"Numerical Study on Transient Heat and Mass Flow of He II Through Porous Media"という題目で発表された。また超流動ヘリウム応用技術調査研究会に参加し、超伝導キャビティ用超流動ヘリウム冷却システムの見学し、「多孔質内における超流動ヘリウムの流動特性」という題目で講演を行なった。

人们正在积极开发用于高磁场的下一代超导线，其中一种导线被认为是在 Nb3Sn 导体表面施加多孔绝缘体以促进冷却的导线。为了实现这一目标，有必要了解超流氦流过多孔材料内部极窄间隙的热量和质量传输特性。因此，本研究的目的是阐明超流氦在多孔材料内由于喷泉效应的传热和传质特性。 2006 年，我们开发了超流氦通过多孔材料的非稳态热和质量传输的数值分析代码。基于 2005 年开发的数值分析代码，它已得到扩展，包括分析非稳态热量和质量传递的能力。本代码采用考虑了Goater-Melling互摩擦的超流氦二流体模型方程作为基本方程，同时还使用了多孔材料内部的曲率、平均孔径以及多孔材料的摩擦损失。正常流量分量，考虑了主体螺纹内的氦气容量。使用此代码，我们使用多孔材料 (CSi) 对饱和超流氦中的非稳态热和质量传输实验进行了数值分析。因此，相互的 Goater-Melling 摩擦力、多孔材料内部的曲率程度以及稳态流动成分的摩擦损失决定了稳态传热传质特性以及多孔材料内部和氦气的平均孔径。研究表明，不稳定的热量和质量传输的特性是由以下因素决定的。该研究结果在第 21 届国际低温工程会议 (ICEC21) 上发表，题为“He II 通过多孔介质的瞬态热和质量流的数值研究”。他还参加了超流氦应用技术课题组，参观了超导腔体的超流氦冷却系统，并做了题为“超流氦在多孔材料中的流动特性”的讲座。

项目成果

Experimental and numerical studies on thermal hydraulic characteristics of He II through porous media.

He II 穿过多孔介质的热水力特性的实验和数值研究。

• 发表时间: 2006
• 期刊: Advances in Cryogenic Engineering 51A
• 作者: S.Hamaguchi;R.Maekawa;T.Okamura;B.Baudouy
• 通讯作者: B.Baudouy

Numerical Study on Transient Heat and Mass Flow of He II Through Porous Media.

He II 通过多孔介质的瞬态热和质量流的数值研究。

• 发表时间: 2007
• 期刊: Proceedings of the 21th International Cryogenic Engineering Conference
• 作者: S.Hamaguchi;B.Baudouy
• 通讯作者: B.Baudouy