Numerical analysis of forced convection heat transfer of subcooled liquid nitrogen

サブクール液体窒素の強制対流熱流動解析

達本 衡輝; 白井 康之*; 畑 幸一*; 加藤 崇; 麻生 智一 ; 大都 起一; 塩津 正博*

Tatsumoto, Hideki; Shirai, Yasuyuki*; Hata, Koichi*; Kato, Takashi; Aso, Tomokazu; Otsu, Kiichi; Shiotsu, Masahiro*

液体水素の強制対流熱伝達に関する知見は、低温水素を用いる中性子源用モデレータ及びMgB超伝導マグネットの冷却設計に重要である。複雑な冷却流路内の熱流動現象を詳細に把握し、最適な設計をするためには、流体解析コードの使用が不可欠である。本研究では、まず、水平円管内における液体窒素の強制対流熱流動解析を汎用の熱流体解析コード(STAR-CD)を用いて行い、同一条件下における著者らの実験結果と比較した。乱流モデルには低レイノルズ型モデルを用いた。解析結果は、レイノルズ数が以上で実験とよく一致することがわかった。レイノルズ数が以下では、解析結果は実験結果より低くなった。水平円管の場合、レイノルズ数が2以下で浮力の影響が現れることが、解析により明らかになった。

The knowledge of forced flow heat transfer of liquid hydrogen is important for cooling design of hydrogen moderator system and HTS superconducting magnets such as MgB magnet. The use of a CFD code is necessary to understand the heat transport phenomena in the practical cooling channel of the magnets. As a first step of the study, forced flow heat transfer of liquid nitrogen in a horizontal tube, instead of liquid hydrogen, was analyzed in this work by using a CFD code. The solutions were compared with the authors' experimental data under the corresponding conditions. The solutions obtained by using the low Reynolds number model as a turbulent model agreed well with the experimental data for the Reynolds numbers () higher than 1. For 1, the solutions become lower than the experimental data. The heat transport mechanism in the horizontal tube was also clarified by the analyses.