スラッシュ数値解析、SLUSH-3D

三次元流動・伝熱解析コード(SLUSH-3D)の開発とスラッシュ流体の解析結果

技術情報1


 水平管内を流れるスラッシュ流体の三次元流動・伝熱を解析対象とし,固体粒子(固相)の融解に基づく固体粒子と液体(液相)間の質量、運動量およびエネルギー交換を考慮した熱非平衡二流体モデルを用いて三次元流動・伝熱解析コード ”SLUSH-3D” を開発した [25, 26]。

 上左図に、スラッシュ窒素の低流速および高流速時における内径 15 mm 円管内での固相の流れ方向流速分布の解析結果を示す。また、固体窒素粒子を直接トレーサとするPIV法*で測定した固体窒素粒子の流れ方向流速分布を示す(”円管内流動・伝熱、PIV”の項参照)。低流速、高流速のいずれの場合も、数値解析結果とPIV実験結果は良い一致を示している。また、ここでは示していないが、液体窒素の圧力損失解析結果がプラントルーカルマン式を用いて計算した平滑円管の圧力損失と良く一致している結果と併せ、開発した数値解析コード "SLUSH-3D" はスラッシュ流体の流動を十分な精度で解析できると考えられる。

 上右図に、スラッシュ窒素、スラッシュ水素の内径 15 mm 円管の入口流速 Uin = 1.5-5.0 m/s での固相の定常状態の流れ方向流速分布を示す

 スラッシュ窒素の場合、Uin = 2.0 m/s 以下の低流速時は、流路上部に流速の最大値が移動して上下非対称な流速分布(非均質流)となる。Uin = 3.0 m/s 以上の高流速時は上下対称な流速分布(擬均質流)となり、別途計算した液体窒素単相流の速度分布に近づいている。固相率が 15 wt.% より大きい場合においても、高流速になるほど流速分布が上下対称となる結果が得られた。この結果は、流速 Uin = 3.6 m/s 以上で擬均質流となる実験結果と一致している(”円管内流動・伝熱、PIV”の項参照)。

 スラッシュ水素の場合、スラッシュ窒素と同様な傾向を示す。ここでは示さないが、低流速においてスラッシュ窒素よりも均一な固相率分布を示す。固液密度比がスラッシュ水素1.12、スラッシュ窒素1.18であるため、スラッシュ水素の場合、低流速においては固相の慣性力に対する重力の影響が小さくなり、固相率は流路底部で減少する。スラッシュ水素の固液密度比が小さいことに加え、液体水素の粘性が液体窒素の粘性の1/(11.3)と小さく、固相と液相の干渉(抗力)が小さくなり、固相の流速分布がスラッシュ窒素と比べ比較的低流速においても擬均質流になり易いと考えられる。
 スラッシュ水素がスラッシュ窒素よりも低流速において擬均質流になり易い本解析結果と、圧力損失低減が擬均質流で現われる我々の実験結果(”円管内流動・伝熱、PIV”の項参照)の両者から,スラッシュ水素はスラッシュ窒素より低流速で、圧力損失低減が現れることになる [20, 26]。
 即ち、固相率が同じであれば、圧力損失低減効果はスラッシュ水素の方がスラッシュ窒素よりも低流速で出現することを実験結果は示しており、スラッシュ水素の方がスラッシュ窒素よりも擬均質流になり易いという解析結果の妥当性を裏付けている。

 開発した三次元流動解析プログラム(SULUSH-3D)を使用して [24, 26, 27]、 スラッシュ窒素が内径 15 mm の円管、一辺 20 mm、26 mm(水力直径 D = 15 mm)の三角形管、一辺 12 mm(水力直径 D = 12 mm)の正方形管を流動する際の管断面での 固相率分布、固体粒子の第二種二次流れ速度分布(円管では出現しない)、液体窒素が保有する乱流エネルギー分布を解析した結果を下図に示す [7, 24]。

  下図左上は円管内の固相率分布を固体粒子の衝突を考慮した解析結果であり、擬均質流になると固体粒子が管中央部に移動する現象を良く示している。右上の二次流れは管の中央部から頂点へ流れる一対の渦を各々の頂点で形成し頂点から管壁に沿って流れた後、中央部に戻る。乱流エネルギー k は x、y、z 方向の乱れ速度の自乗和であり、kav は管断面での平均値である(”円管、三角形管、正方形管の流動・伝熱”の項参照)。

 * PIV法:粒子画像流速測定法(Particle Image Velocimetry)を使用して、固体粒子の流速、流跡線を直接測定した。