Opposing mixed convection heat transfer for turbulent single-phase flows

単相乱流複合対流下降流熱伝達

茂木 孝介  ; 柴本 泰照 ; 日引 俊詞*; 塚本 直史*; 金子 順一*

Motegi, Kosuke; Shibamoto, Yasuteru; Hibiki, Takashi*; Tsukamoto, Naofumi*; Kaneko, Junichi*

自然対流熱伝達と強制対流熱伝達が共存する流れを複合対流と呼ぶ。特に強制対流が下降流の場合をopposing flow複合対流と呼ぶ。既往研究において様々な単相opposing flow複合対流の熱伝達相関式が提案されているが、それらは様々な試験装置流路形状、作動流体、熱流動パラメータの範囲で実施された実験結果に基づいている。無次元支配因子の定義や実験的に確認された適用範囲も相関式ごとに異なるため、使用に際してその適用範囲や外挿性を踏まえた上でどの相関式を選択すべきかを整理しておくことは重要である。本稿では既存のopposing flow複合対流の熱伝達相関式と、熱水力システムコードに実装されている単相流壁面熱伝達相関式についてレビューした。また、複数の既往実験データと各相関式との比較を行い、相関式の予測性能を評価した。その結果、Jackson and Fewster相関式、Churchill相関式、Swanson and Catton (IJHMT)相関式は全ての実験データを精度よく予測可能であった。また、乱流複合対流では等温・等熱流束の熱的境界条件による熱伝達率への影響は顕著ではなく、既存の相関式は熱伝達率予測に適用可能であった。さらに、代表長さに水力学相当直径を用いることにより試験装置流路形状の違いに関わらず相関式が適用可能であり、支配パラメータの無次元化により作動流体によらず相関式が適用可能であることを確認した。幅広い無次元数範囲に対して相関式の外挿性を調査した所、Jackson and Fewster相関式、Churchill相関式、Aicher and Martin相関式は自然対流熱伝達、強制対流熱伝達への優れた外挿性を有しており、実験で妥当性が確認されたパラメータ範囲を超えて相関式が適用できることを示した。

Convection, wherein forced and natural convections are prominent, is known as mixed convection. Specifically, when a forced convection flow is downward, this flow is called opposing flow. Several heat transfer correlations have been reported related to single-phase opposing flow; however, these correlations are based on experiments conducted in various channel geometries, working fluids, and thermal flow parameter ranges. Because the definition of nondimensional parameters and their validated range confirmed by experiments differ for each correlation reported in previous studies, establishing a guideline for deciding which correlation should be selected based on its range of applicability and extrapolation performance is important. This study reviewed the existing heat transfer correlations for turbulent opposing-flow mixed convection and the single-phase heat transfer correlations implemented in the thermal-hydraulic system codes. Furthermore, we evaluated the predictive performance of each correlation by comparing them with the experimental data obtained under various experimental conditions. The Jackson and Fewster, Churchill, and Swanson and Catton correlations (Int. J Heat Mass Transf., 1987) can accurately predict all the experimental data. The effect of the difference in the thermal boundary conditions, i.e., uniform heat flux and uniform wall temperature, on the turbulent mixed-convection heat transfer coefficient is not substantial. We confirmed that heat transfer correlations using the hydraulic-equivalent diameter as a characteristic length can be used for predictions regardless of channel-geometry differences. Furthermore, correlations described based on nondimensional dominant parameters can be used for predictions regardless of the differences in working fluids.