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論文

水平円柱内相変化物質の融解に及ぼす非均一熱伝達率の影響

小木 浩通*; 椎名 保顕; 稲垣 照美*

日本機械学会論文集,B, 74(748), p.2588 - 2597, 2008/12

水平円柱表面の熱伝達率分布が円柱内固相の融解過程に及ぼす影響を数値解析及び実験より調べ、カプセル型潜熱蓄熱技術の熱設計への考察を加えた。数値解析は、一様流中で生じる非均一熱伝達率分布及びそれを平均した均一熱伝達率分布条件に対して行い、連成問題における円柱内レイリー数の評価方法を提案するとともに以下の結論を得た。融解に伴い円柱内レイリー数は増加するが、レイリー数が約1000以下では熱伝導が支配的となり、円柱の熱伝導率が小さい場合には、均一,非均一熱伝達率間の壁温,固相形状等の差は最も大きくなるが、その差は融解時間にしてたかだか10%程度である。円柱内レイリー数が増加すると、均一,非均一熱伝達率間による差は壁温,固相形状等を含めて減少する。また、円柱の熱伝導率が高い場合には内部レイリー数にかかわらず、均一,非均一熱伝達率の間の差は無視することができる。これらから、カプセル型潜熱蓄熱の熱設計において、カプセル寸法が大きく内部レイリー数が大きくなる場合には、均一熱伝達率を用いた解析により十分高い精度の熱設計を行うことができることを示した。

論文

高空隙率の異方性水平多孔質層内の自然対流熱伝達

椎名 保顕; 菱田 誠*

日本機械学会東北支部第43期総会・講演会講演論文集, p.163 - 164, 2008/03

高空隙率の多孔質層内自然対流流れは、ダルシー則が成立しないと考えられ、解析には流体の粘性摩擦を考慮する必要がある。本研究では、水平流体層の上下伝熱面間に円柱細線を均一に張った高空隙率の異方性水平多孔質層内自然対流熱伝達をCollocation法により求めた。また解析結果を、円柱細線として塩化ビニル棒を、また、流体としてシリコンオイルを用いた実験結果及び弱非線形解析結果と比較した。その結果、ヌッセルト数はダルシー数が小さくなると増加し、ダルシー数が1以上ではほぼ一定値となること、ダルシー数が0.001以下では、解析結果は弱非線形解析結果とほぼ一致し、ダルシー則が近似的に満たされること等が示された。また、ダルシー数が1に近い領域では実験と解析は比較的よく一致することが示された。

論文

表面熱伝達率が非均一の場合の水平円柱内固相の融解過程

椎名 保顕; 小木 浩通*; 稲垣 照美*

日本機械学会熱工学コンファレンス2007講演論文集, p.245 - 246, 2007/11

水平円柱内固相が非均一表面熱伝達率の条件下で融解する過程を数値解析により求めるとともに、実験結果と比較した。また、この場合の円柱内レイリー数を評価する手法を示した。非均一表面熱伝達率で融解する場合、円柱内レイリー数が約1000以下では自然対流が形成されても円柱内の支配的伝熱機構は熱伝導となる。しかし、融解が進行し、円柱内レイリー数が約1000を超えると自然対流の影響が現れる。円柱径が大きく、融解の大半の領域で円柱内レイリー数が1000より大きい場合には、円柱内において自然対流が支配的な伝熱機構となる。この場合、融解に及ぼす非均一表面熱伝達率と均一表面熱伝達率の違いは固相底部付近のみに局在され、融解過程は均一表面熱伝達率の場合とほぼ等しくなる。

論文

高空げき率の異方性水平多孔質層内の自然対流発生臨界レイリー数

椎名 保顕; 菱田 誠*

日本機械学会論文集,B, 73(733), p.1876 - 1883, 2007/09

水平伝熱面間に高い空隙率で金属細線等を挿入した場合の水平多孔質層内自然対流発生の臨界レイリー数を、流体の粘性抵抗を考慮するとともに、浸透度及び熱拡散率の異方性を考慮することにより安定性解析で求め、実験と比較した。この場合xy方向の浸透度に対するz方向浸透度の比は1/2となるが、熱拡散率の異方性は挿入する円柱細線の種類及び空隙率に依存する。解析の結果、臨界レイリー数はダルシー数が増加すると減少するが、xy方向に対するz方向の実効熱拡散率の比が減少するとともに小さくなり、ダルシー数が約1以上では一定値を示すこと、臨界レイリー数は熱拡散率の比が0の極限で最小値約690.8をとること、熱拡散率比の減少とともに、ダルシー則が成立するダルシー数の上限値は小さくなること等が明らかにされた。また、熱拡散率の比が1の条件で行われた実験と解析の結果は非常によく一致することが示された。

論文

空げき率の高い水平多孔質層内の自然対流熱伝達

椎名 保顕; 石川 広太*; 菱田 誠*

日本機械学会論文集,B, 73(728), p.1045 - 1051, 2007/04

実効熱伝導率を高めるために、伝熱面間に円柱細線を張った異方性水平多孔質層内自然対流の臨界レイリー数及び熱伝達率をダルシー流れを仮定した解析で求めるとともに、実験により調べた。実験の空隙率範囲は0.822から1である。空隙率が1の場合には臨界レイリー数,ヌッセルト数ともベナール対流の場合と一致した。円柱細線を挿入すると、空隙率が1に近い場合には臨界レイリー数はほとんど変化しないが、ヌッセルト数は大きく低下することが示された。これらから、自然対流の発生は局所の流動抵抗に依存するが、熱伝達は流路全体の流動抵抗に依存することが推定される。この場合、実験の臨界レイリー数はダルシー流れに基づく解析よりも実験の方が高い値を示したが、ダルシー数の低下とともに理論値に漸近した。実験の空隙率領域ではダルシー流れの仮定は十分には成立しないと考えられる。実験のヌッセルト数をレイリー数と臨界レイリー数の比の関数として整理すると、理論値よりは低いが、1つの相関式で表された。

論文

円柱細線を伝熱面間に挿入した水平多孔質層内の自然対流

椎名 保顕; 菱田 誠*; 石川 広太*

日本機械学会東北支部第42期総会・講演会講演論文集, p.137 - 138, 2007/03

潜熱蓄熱で、伝熱面間に金属細線を挿入し、実効熱伝導率を高める伝熱促進法を用いた場合の融解時自然対流特性を明らかにするため、水平伝熱面間に円柱細線を高い空隙率で垂直に設置した場合の自然対流発生レイリー数を解析で求めるとともに、実験を行い結果を比較した。この場合xy方向の浸透度に対するz方向浸透度の比は1/2となる。その結果、臨界レイリー数RaCは実効熱拡散率の比$$xi$$の減少とともに小さくなり、ダルシー数Daが大きくなると一定値を示すこと、RaCは$$xi$$$$rightarrow$$0, Da$$rightarrow$$$$infty$$の場合で最小値692.5をとることが明らかとなった。また、実効熱拡散率の比=1の場合には実験と解析はよく一致することが示された。

論文

潜熱蓄熱を利用した流体温度変動低減化

椎名 保顕

日本原子力学会和文論文誌, 5(3), p.190 - 199, 2006/09

固液相変化潜熱を用いて伝熱流体の温度変動を低減化する場合の温度変動低減特性の把握を目的として、温度が変動する伝熱流体が流れる円管外側に蓄熱体を配した実験を行った。実験では、潜熱蓄熱体としてオクタデカン,気孔率が約0.96の発泡ニッケル及び発泡銅にオクタデカンを含浸させた複合蓄熱体を用い、実験,数値解析及び近似解析を比較することにより温度変動低減の評価を行った。その結果以下の結論を得た。(1)PCMに発泡ニッケル及び発泡銅を含浸させた複合蓄熱体を用いると、実効熱伝導率を2倍から10倍高くすることができ、それにより、PCMのみの場合よりも伝熱流体の温度変動を大きく低減させることができることを示した。温度変動率の低減効果はレイノルズ数が高くなると大きくなる。(2)使用した発泡金属のうち、温度変動低減効果は、発泡銅が最も高く、気孔径の小さいニッケル(NiF),気孔径の大きいニッケル(NiC)の順であった。また、発泡銅と発泡ニッケル(NiF)の温度変動低減効果は大きく違わなかった。(3)相変化を考慮した熱伝導による数値解析は、PCMのみの場合にはPCM内の自然対流により融解時に不一致が観察されたが、複合蓄熱体に対しては比較的よく実験結果と一致した。これは、多孔体金属により液相PCM中の自然対流が大きく抑制されるためであると考えられる。(4)実験,数値解析及び近似解析の比較により、温度変動低減率は近似解析結果でよく近似できることが示された。(5)伝熱管本数等を考慮すると、潜熱蓄熱による温度変動を低減するには乱流域で使用する方が効果的である。

論文

空隙率の高い水平多孔質体内の自然対流熱伝達

椎名 保顕; 石川 広太*; 菱田 誠*; 田中 学*

日本機械学会2006年度年次大会講演論文集, Vol.3, p.173 - 174, 2006/09

相変化物質を多孔体中に含浸させて実効熱伝導率を向上させる伝熱促進法の、融解時における有効性を調べるために、水平流体層に垂直に円柱細線を張り、自然対流熱伝達について調べた。自然対流発生の臨界レイリー数及びヌッセルト数を、ダルシー流れを仮定して解析により求め、実験と比較した。実験では空隙率及びレイリー数を0.822$$sim$$1及び10$$^3$$から10$$^4$$の範囲で変えた。その結果、実験範囲では空隙率が高く、厳密にはダルシー流れは成立しないこと,そのため、臨界レイリー数は実験の方が理論よりも高くなるが、空隙率が減少すると差は小さくなること,空隙率が1に近い場合、ダルシー流れの場合と異なり、円柱細線の挿入によりヌッセルト数は低下することが示された。

論文

水平円柱内固相の接触融解過程

根本 寛幸*; 小木 浩通*; 椎名 保顕; 稲垣 照美*

可視化情報学会誌, 26(Suppl.1), p.1 - 4, 2006/07

潜熱蓄熱の蓄熱媒体中に発泡金属等を挿入すると、放熱時の伝熱促進には極めて有効であるが、融解時には内部自然対流及び接触融解が抑制される。そこで、融解時の伝熱促進特性の比較を可能にするために、実際の使用条件である熱伝達率一定の条件下における接触融解特性を、円筒カプセルを用いて実験及び解析により調べた。円筒カプセルとしては銅、及びアクリルを、蓄熱媒体としては水及びテロラデカンを用いた。解析から、熱伝達率一定の場合には、融解速度は初め小さく、時間とともに増加するが、これは実験とよく一致した。カプセル壁温は時間とともに上昇するが、上昇幅は水に比べてテトラデカンの方が大きい。また、アクリル壁温の非一様性もテトラデカンの方が大きく、内部自然対流の影響が示唆される。界面形状をビデオ撮影して観察した結果、融解中、固相が回転する様子が観察された。また、アクリルカプセルの場合には、銅カプセルと比べて非接触面の形状が大きく変化するため、液相と固相が接する面からの伝熱の影響を考慮する必要があることが示された。

論文

流れの中におかれた水平円柱内における接触融解熱伝達

椎名 保顕; 根本 寛幸*; 小木 浩通*; 稲垣 照美*

第43回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.415 - 416, 2006/05

固相と伝熱面が非常に薄い液層を介して接触する接触融解は高い熱伝達特性を示すことが報告されている。これを利用して潜熱蓄熱の固相の融解促進を図ることができる。従来、接触融解の研究は伝熱面が等温の場合に限られてきた。しかし、実際の蓄熱・放熱過程では伝熱面は等温ではなく、熱伝達率一定と考えられるため、その場合の接触融解特性を明らかにする必要がある。本研究では、表面熱伝達率一定時の水平円柱潜熱蓄熱カプセルの接触融解熱伝達特性を解析により調べ、実験と比較した。その結果、壁温一定の場合とは異なり、熱伝達率一定の場合には、融解速度は時間とともに増加すること,外部流体のレイノルズ数が高い場合には解析結果と実験結果は比較的よく一致すること等が示された。

論文

潜熱蓄熱円筒カプセルの融解特性に及ぼす非均一熱伝達率の影響

小木 浩通*; 椎名 保顕; 稲垣 照美*

第43回日本伝熱シンポジウム講演論文集, p.413 - 414, 2006/05

固液相変化潜熱を利用した潜熱蓄熱方式は、一定温度で大量の熱の貯蔵ができるという点で優れた特徴を有している。従来、カプセル型潜熱蓄熱システムの設計は、均一の表面熱伝達率を仮定して評価されてきた。しかし、実際には表面熱伝達率は一様ではなく、円柱カプセルの場合には熱伝達率比で3$$sim$$4倍の非均一性が生じる可能性がある。そのため、内部自然対流により熱伝達率が均一と非均一では融解特性が大きく異なる可能性がある。そこで、水平円柱容器内の固相が、横からの一様流による非一様熱伝達率により融解する場合の相変化特性を、実験及び数値解析により調べるとともに、均一熱伝達率の場合の数値解析結果との比較を行った。その結果、数値解析と実験結果はよく一致することを示すとともに、表面熱伝達率が非均一の場合には融解時間は均一の場合より短縮されることを明らかにした。

論文

円筒カプセル内相変化流体の接触融解解析

椎名 保顕; 小木 浩通*; 稲垣 照美*

日本機械学会東北支部第41期総会・講演会講演論文集, p.83 - 84, 2006/03

水平円柱容器内固相が円柱外側表面から加熱され融解する場合、固相と液相の密度差により、固相が伝熱面と接触する接触融解が生じる。従来の研究では円柱外側表面温度一定の場合が扱われ、接触融解は非常に高い熱伝達が得られることが報告されてきた。しかし実際の伝熱は熱伝達率一定の場合がほとんどである。そこで、熱伝達率一定の場合の接触融解の解析を行い、融解速度,壁温の時間変化等を求めた。融解速度は、アクリル及び銅円柱を用いた実験結果と比較的よく一致した。

論文

第2回HTTRワークショップ,第3回OECD/NEA/NSC原子力水素製造に関する情報交換会議

椎名 保顕; 滝塚 貴和; 笠原 清司

日本原子力学会誌, 48(2), p.58 - 59, 2006/02

第2回HTTRワークショップ「水素製造技術に関するワークショップ」が、2005年10月5$$sim$$7日、日本原子力研究開発機構(以下、原子力機構)大洗研究開発センターで、原子力機構及び経済協力開発機構・原子力機関・原子力科学委員会(OECD/NEA/NSC)の共催、国際原子力機関(IAEA)の協賛により開催された。原子力機構ではHTTR(高温工学試験研究炉)プロジェクトを推進するため、情報交換,技術課題・研究課題の推進方法,国際協力等についての議論を行うことを目的として、昨年7月に高温ガス炉技術及び原子力を利用した水素製造の研究開発に関するワークショップ(第1回HTTRワークショップ)を開催した。本ワークショップはこれに引き続き第2回目として開催されたものであり、また第3回OECD/NEA/NSC原子力水素情報交換会議としても位置づけられた。参加人数は143名で、そのうち国外の参加者は10か国・地域(米・仏・韓・独・加・中・台・伊・スウェーデン・インドネシア)39名であった。発表件数は原子力水素製造関連研究35件,HTTR研究関連4件、計39件である。昨年の参加者,発表件数(113名うち国外21名、6か国)と比べると海外からの参加者が増加し、また発表件数も倍以上となった。特に熱化学法による水素製造研究に関する発表件数が大きく増加したのが特徴である。

論文

Heat transfer and fluid flow of benard-cell convection in rectangular container with free surface sensed by infrared thermography

稲垣 照美*; 羽鳥 雅一*; 鈴木 智博*; 椎名 保顕

Journal of Visualization, 9(2), p.145 - 160, 2006/00

 被引用回数:9 パーセンタイル:45.89(Computer Science, Interdisciplinary Applications)

自由界面における伝熱現象を、従来の熱電対等のセンサーを用いて計測する手法は、界面における流れや界面形状を変えてしまう等伝熱現象そのものに攪乱を及ぼすため適用が困難である。そこで、非接触で温度計測を行うことができる赤外線サーモグラフィーを自由表面を有するベナール対流の気液界面における温度計測に適用し、その計測可能性について調べた。実験では、シリコン油を用い、矩形容器の液相深さ,アスペクト比,液の粘性を変えることによりベナール対流と表面温度分布等の関係を調べ、k-$$varepsilon$$モデルを含む数値解析結果と比較した。その結果、表面温度分布から求められる対流パターンは数値解析結果とよく一致すること、実験から得られた熱伝達率は数値解析及び従来の結果とよく一致することを示し、赤外線サーモグラフィーの気液界面の伝熱現象の計測における有用性を示した。

論文

Natural convection heat transfer of high temperature gas in an annulus between two vertical concentric cylinders

稲葉 良知; Zhang, Y.*; 武田 哲明; 椎名 保顕

Heat Transfer-Asian Research, 34(5), p.293 - 308, 2005/07

高温ガス炉の炉容器冷却システムの1つに、水による冷却パネルを用い、自然対流と熱放射により間接的に炉心を冷却するシステムがあり、高温工学試験研究炉(HTTR)においても、このシステムが採用されている。本研究では、HTTRの原子炉圧力容器-冷却パネル間内高温気体の熱伝達特性を調べるため、内筒を加熱、外筒を冷却した鉛直同心二重円筒内の面間の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する実験と数値解析を行った。実験において、環状空間の高さに基づいたレイレー数は、ヘリウムガスに対して2.0$$times$$10$$^{7}$$$$<$$Ra$$<$$5.4$$times$$10$$^{7}$$、窒素ガスに対して1.2$$times$$10$$^{9}$$$$<$$Ra$$<$$3.5$$times$$10$$^{9}$$となった。また数値解析の結果は、加熱壁面と冷却壁面の温度に関して実験とよく一致した。実験と数値解析の結果から、面間の熱放射を伴う自然対流熱伝達に関する相関式を、レイレー数,半径比,加熱壁面及び冷却壁面の温度と熱放射率の関数として得た。

論文

Study on the efficiency of effective thermal conductivities on melting characteristics of latent heat storage capsules

椎名 保顕; 稲垣 照美*

International Journal of Heat and Mass Transfer, 48(2), p.373 - 383, 2005/01

 被引用回数:32 パーセンタイル:74.93(Thermodynamics)

潜熱蓄熱の実用化には伝熱促進が不可欠であるが、熱伝導率の高い多孔体中に蓄熱媒体を含浸させ実効熱伝導率を向上させることにより伝熱促進を図る方法が考えられる。本研究では、気孔率の高い発泡金属中に蓄熱媒体を含浸させた場合の相変化時間に及ぼす実効熱伝導率等の影響を、円筒カプセル蓄熱体を用いた場合について数値解析及び近似解析により評価した。その結果、蓄熱媒体の熱伝導率が低い場合には、相変化時間は数十倍短縮されること、また、フィンを用いる場合に比べても数倍から十倍程度伝熱が促進されることを示し、この方法が伝熱促進に高い有効性を有することを明らかにした。

論文

矩形流路内に生じるヘリウム-空気対向流に関する研究

文沢 元雄; 田中 学*; Zhao, H.*; 菱田 誠*; 椎名 保顕

日本原子力学会和文論文誌, 3(4), p.313 - 322, 2004/12

国際原子力総合技術センターで整備した高温ガス炉用の炉内核熱解析コードのサブモジュールを使用して、ヘリウム-空気対向流の流速分布と濃度分布を数値解析によって求め、以下の事項を実験結果と照合した。(1)準定常的な置換流が形成されるまでの時間,(2)流れのパターンと流路の傾斜角$$theta$$との関係,(3)上昇流と下降流の流速分布の発達過程,(4)上昇流及び下降流の流路幅及び流速分布と傾斜角$$theta$$との関係,(5)濃度分布と流路の傾斜角との関係,(6)正味流入流量と流路の傾斜角との関係その結果、流速分布及び正味流入流量について実験値と解析値は、両者が良い一致を示すことも確認した。

論文

HTTRワークショップ「水素製造に関するワークショップ」

椎名 保顕; 滝塚 貴和; 笠原 清司

日本原子力学会誌, 46(12), p.862 - 863, 2004/12

「水素製造技術に関するワークショップ」が、2004年7月5$$sim$$6日、茨城県大洗町の日本原子力研究所(原研)大洗研究所で、同研究所の主催のもと、開催された。原研ではHTTR(高温工学試験炉)プロジェクトにおける研究開発推進のため、高温ガス炉技術の開発研究及び水素製造などの核熱利用技術の開発研究に関する専門家を集めたHTTRワークショップを定期的に開催し、核熱による水素製造技術の技術課題や研究開発の推進方法などについて議論することを計画している。本ワークショップはその第1回として開催された。参加人数は113名で、そのうち国外の参加者は6か国(米・仏・韓・独・加・英)21名であった。発表はすべて口頭で行われ、件数は17件であった。

論文

Infrared thermography for analyzing heat transfer and fluid flow of benard-cell convection in a rectangular container with free surface

稲垣 照美*; 羽鳥 雅一*; 鈴木 智博*; 椎名 保顕

Proceedings of International Conference on Advanced Optical Diagnostics in Fluids, Solids and Combustion (VSJ-SPIE '04) (CD-ROM), 9 Pages, 2004/12

赤外線サーモグラフィーは2次元表面の温度分布を非接触で計測することができるため、高温領域やセンサーの設置が困難な領域における温度計測に適している。本研究では特に表面に波うちが生じる気液界面に適用し、自由表面を有する矩形容器内でベナール対流が生じている場合の温度を計測することにより従来計測が困難であった気液界面の熱伝達率を測定した。また、乱流モデルによる数値解析を行い、層流から乱流に遷移する自由表面ベナールセルの遷移過程を実験と解析で比較した。その結果、波うちを生じている気液界面の平均熱伝達率とレイリー数の関係式を求めることができた。また、局所熱伝達率はベナールセルのパターンにより変化するが、それは解析により比較的良好に実験を模擬することができるため、解析により評価することが可能であることが示された。これらから、赤外線サーモグラフィーを時間的な変動,変形のある表面温度の測定に適用することの有効性が示された。

論文

自由界面を有する矩形容器内自然対流の伝熱現象と赤外線計測

稲垣 照美*; 金児 敏信*; 羽鳥 雅一*; 椎名 保顕

日本機械学会論文集,B, 70(699), p.279 - 286, 2004/11

赤外線サーモグラフィーは非接触で二次元の温度計測を行うことができる。そこで、通常の手法での温度計測が不可能である気液界面の伝熱現象にこれを適用し、自由表面を有するベナール対流の気液界面における伝熱計測を行った。実験はシリコンオイルを用いて行い、実験結果を数値シミュレーション結果と比較して赤外線サーモグラフィーの適応性,有効性の考察を行った。その結果、赤外線サーモグラフィーにより可視化された対流のセルパターンは数値シミュレーションにより得られたパターンとよく一致した。また、気液界面における熱伝達率とレイリー数の関係は、赤外線サーモグラフィーによる実験結果と数値シミュレーション結果の両者が比較的よく一致した。これらから、赤外線サーモグラフィーは、界面の揺動等を伴い、通常の計測が不可能である気液界面における伝熱現象の計測に有効であることが示された。

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