プール沸騰の検証解析

概要

流体解析ソフト Advance/FrontFlow/red の混相流解析オプション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］ Nuclear Power, “Boiling Crisis – Critical Heat Flux”
［2］ ScienceDirect Topics, “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。

表１　沸騰状態と計算手法

表２　計算設定

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。

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。

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。