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プール沸騰の検証解析#

気液二相流解析ソフトウェア Advance/FrontFlow/MP 事例

概要#

Advance/FrontFlow/MPは、表面温度から沸騰様式(核沸騰・遷移沸騰・膜沸騰)を判別し、沸騰様式毎に異なる表面熱伝達モデルを使用することができます。 加熱面近傍以外が飽和温度である水の飽和プール沸騰を固体と気液二相流の熱連成で解析することにより表面熱流束を求め、沸騰曲線の実験結果[1][2]と比較した結果をご紹介します。ここで、プール沸騰とはバルクの流れがなく、沸騰によって発生した気泡によって自然対流が起こる沸騰のことです。

参考文献

[1]https://www.nuclear-power.net/nuclear-engineering/heat-transfer/boiling-and-condensation/pool-boiling-boiling-curve/

[2]https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/boiling-curve/

解析条件#

図1の解析モデルにおいて、境界条件とする銅板下面温度をパラメーターとし、銅板の熱伝導と気液二相流の熱連成解析を行います。銅板表面(銅板と流体が接する面)における熱流束は以下の式で計算します。 

沸騰状態 計算方法
自然対流沸騰と核沸騰 Chenの核沸騰熱流束式をサブクール域に拡張した式+強制対流の式
膜沸騰 放射熱伝達率+Bromleyの膜沸騰熱伝達率+Forslund-Rohsenowの液滴熱伝達率+強制対流
遷移沸騰 限界熱流束温度における熱流束と最小安全膜沸騰温度における熱流束を3次式で補間

プール沸騰の検証解析
                 図1 解析モデル   

解析条件 設定値
次元 2
液相
気相 水蒸気
飽和温度 100℃ 
銅板下面温度 104、120、160、1100℃
乱流モデル なし
格子数 11500
メッシュサイズ 0.2mm

解析結果#

計算で求めた表面温度と表面熱流束を赤色のプロットで、沸騰曲線の実験結果[2][3]を青色の実線で示した図を図2に示します。表面熱流束は妥当に計算できています。

プール沸騰の検証解析
          図2 沸騰曲線の実験結果[1][2]と計算結果

上記の計算結果において、ボイド率と液相速度の時間平均分布を以下に示します。

プール沸騰の検証解析
     (a) ボイド率                (b) 液相速度            図3 銅板下面温度104℃の計算結果(自然対流沸騰)

プール沸騰の検証解析
     (a) ボイド率                (b) 液相速度            図4 銅板下面温度120℃の計算結果(核沸騰)

プール沸騰の検証解析
     (a) ボイド率                (b) 液相速度            図5 銅板下面温度160℃の計算結果(遷移沸騰)    プール沸騰の検証解析
     (a) ボイド率                (b) 液相速度            図6 銅板下面温度1100℃の計算結果(膜沸騰)  

本解析でわかったこと#

Advance/FrontFlow/MPの表面熱伝達モデルは、水の飽和プール沸騰において表面熱流束を妥当に計算できることが確認できました。

関連ページ#