JP5749079B2 - Two-phase heat flow analysis apparatus and two-phase heat flow analysis method - Google Patents

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Description

本発明は沸騰などの相変化現象を伴う二相流の熱流動現象を予測する二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法に関する。   The present invention relates to a two-phase heat flow analysis apparatus and a two-phase heat flow analysis method for predicting a heat flow phenomenon of a two-phase flow accompanied by a phase change phenomenon such as boiling.

沸騰現象は、原子力発電プラントや火力ボイラーなどにおいて利用されており、この現象評価および解明のためには解析が有効である。沸騰が起こると水蒸気が発生し、流体は液体と気体の混ざった二相流となるため、熱流動現象を評価するためには二相流解析手法を適用する必要がある。   The boiling phenomenon is used in nuclear power plants and thermal boilers, and analysis is effective for evaluating and elucidating this phenomenon. When boiling occurs, water vapor is generated, and the fluid becomes a two-phase flow in which a liquid and a gas are mixed. Therefore, in order to evaluate the thermal flow phenomenon, it is necessary to apply a two-phase flow analysis method.

従来の二相流解析においては、気体相と液体相の相間相互作用を評価するために、試験などから経験的に求めた構成方程式を用いることが多い。この構成方程式は、気体相が流体中を占める割合によって分類される気泡流、スラグ流、チャーン流、環状噴霧流などの流動様式毎に異なる形で与えられる。   In the conventional two-phase flow analysis, in order to evaluate the interaction between the gas phase and the liquid phase, a constitutive equation obtained empirically from tests or the like is often used. This constitutive equation is given differently for each flow mode such as bubble flow, slag flow, churn flow, and annular spray flow classified according to the proportion of the gas phase in the fluid.

解析対象となる二相流動場に適用される構成方程式は、試験などから経験的に作成された流動様式マップを使用し、二相流の流動様式を判別して切り替えられる。このような技術の一例は、例えば、後述する非特許文献1等に記載されている(非特許文献1参照)。   The constitutive equation to be applied to the two-phase flow field to be analyzed can be switched by discriminating the flow mode of the two-phase flow using a flow mode map created empirically from tests or the like. An example of such a technique is described in, for example, Non-Patent Document 1 described later (see Non-Patent Document 1).

また、近年、仮想的な流体の挙動に対しての適用ではあるものの、構成方程式および流動様式マップを使用することなく、二相流の解析を行う手法も確立されている。このような技術の一例としては、例えば、フェーズフィールド法を用いた二相流解析手法があり、後述する非特許文献2等に記載されている(非特許文献2参照)。   In recent years, a method for analyzing a two-phase flow has been established without using a constitutive equation and a flow pattern map, although it is applied to the behavior of a virtual fluid. An example of such a technique is, for example, a two-phase flow analysis method using a phase field method, which is described in Non-Patent Document 2 and the like described later (see Non-Patent Document 2).

図6は、フェーズフィールド法の概念を説明する図であり、沸騰気泡の内外および界面の密度分布を示す説明図である。   FIG. 6 is a diagram for explaining the concept of the phase field method, and is an explanatory diagram showing the density distribution of the inside and outside of the boiling bubble and the interface.

フェーズフィールド法は、図6に示されように、気体相と液体相の間の界面が、ある有限な厚さを有しており、その界面では密度や粘度などの物性値が連続的に変化しているとみなして数値解析を行う。すなわち、気体相と液体相の間の界面に任意の幅(厚さ)を設定し、設定した幅の中では密度や粘度などの物性値が連続的に変化しているとみなした数値解析を行う。フェーズフィールド法では、界面で相変化しながら大きく変形する複雑な現象を効率的に解析で扱うことができ、沸騰などの相変化現象の直接評価を可能としている。   In the phase field method, as shown in FIG. 6, the interface between the gas phase and the liquid phase has a certain finite thickness, and physical properties such as density and viscosity continuously change at the interface. Numerical analysis is performed assuming that In other words, an arbitrary width (thickness) is set at the interface between the gas phase and the liquid phase, and numerical analysis is performed assuming that physical property values such as density and viscosity change continuously within the set width. Do. The phase field method can efficiently handle complex phenomena that undergo large deformation while undergoing phase change at the interface, enabling direct evaluation of phase change phenomena such as boiling.

秋山守,有冨正憲 監修、「新しい気液二相流数値解析 -多次元流動解析-」、コロナ社、2002年1月10日、第2章Supervised by Mamoru Akiyama and Masanori Arisu, “New numerical analysis of gas-liquid two-phase flow -multidimensional flow analysis-”, Corona, January 10, 2002, Chapter 2 高田尚樹,冨山明男 著、「フェーズフィールド法を用いた相変化を伴う二相流の数値シミュレーション」、混相流研究の進展、第2巻、2007年、p.173−180Naoki Takada and Akio Hatakeyama, “Numerical simulation of two-phase flow with phase change using phase field method”, Progress in multiphase flow research, Volume 2, 2007, p. 173-180

しかしながら、非特許文献1に記載される技術では、流動様式の遷移を伴う気液二相流を扱う場合、上述した構成方程式および流動様式マップが試験等から経験的に作成されるため、解析結果がマップの品質に依存するという課題がある。   However, in the technique described in Non-Patent Document 1, when the gas-liquid two-phase flow accompanied by the transition of the flow mode is handled, the above-described constitutive equation and the flow mode map are created empirically from the test or the like. There is a problem that depends on the quality of the map.

一方、非特許文献2に記載される技術では、上述の構成方程式と流動様式マップには依存しないものの、現状では流体の臨界点近傍を想定したvan der Waals流体などの仮想的な流体の挙動に対しての解析適用例があるのみである。すなわち、仮想的でない実際の流体での解析適用例がなく、例えば、原子力発電プラントにおける熱交換器などの実機における流体の熱流動を解析手法としては確立されるに至っていないという課題があった。   On the other hand, the technique described in Non-Patent Document 2 does not depend on the above-described constitutive equation and flow pattern map, but at present, the behavior of a virtual fluid such as a van der Waals fluid that assumes the vicinity of the critical point of the fluid is assumed. There are only analysis application examples. That is, there is no analysis application example with an actual fluid that is not virtual, and for example, there has been a problem that the thermal flow of fluid in an actual machine such as a heat exchanger in a nuclear power plant has not been established as an analysis technique.

本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、構成方程式および流動様式マップに依存せず、かつ、実機を対象とした条件下での二相流の熱流動現象を直接評価することができる二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and does not depend on the constitutive equation and the flow mode map, and directly evaluates the heat flow phenomenon of the two-phase flow under the conditions for the actual machine. An object of the present invention is to provide a two-phase heat flow analysis apparatus and a two-phase heat flow analysis method.

本発明に係る二相熱流動の解析装置は、上述した課題を解決するため、流れ場を分割した複数の区画に対して、入力部から与えられた解析対象の形状データ、熱が出入する熱源領域の範囲、この熱源領域と他領域との境界条件、前記解析対象となる二相流の流速、圧力、エンタルピ並びに密度、粘度および熱伝導率を含む物性値の初期値を含む初期パラメータに基づき、前記二相流の流速、圧力およびエンタルピを計算する流体計算部と、前記複数の区画に対して、前記流体計算部で算出された二相流の圧力およびエンタルピに基づいて、データ格納領域に格納した前記二相流の質量流量分率を算出する数式情報と、状態方程式の情報とを参照し、前記二相流の質量流量分率を算出する質量流量分率計算部と、前記複数区画に対して、データ格納領域に格納した状態方程式の情報を参照し、前記二相流を構成する各相の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を得る一方、データ格納領域に格納した前記二相流の物性値を算出する数式情報を参照し、前記二相流を構成する各相の物性値および質量流量分率計算部が算出した前記二相流の質量流量分率に基づいて、前記二相流の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を計算する物性値計算部と、前記流体計算部が算出した二相流の流速、圧力およびエンタルピと、予め設定された計算終了条件とに基づいて、前記計算終了条件を満足するか否かを判定する計算終了判定部と、前記解析対象となる全領域を、前記熱源領域から所定範囲内に位置する第1の領域と、前記所定範囲外に位置する第2の領域とに分割し、前記流体計算部、質量流量分率計算部および物性値計算部が前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を算出するように構成される一方、前記第2の領域における前記二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を計算するマクロ流体計算部と、前記流体計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の流速、圧力およびエンタルピと、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報とに基づいて、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を前記二相流のボイド率へ変換して前記マクロ流体計算部へ与える第1の変換処理部と、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報を参照し、前記マクロ流体計算部が算出した前記二相流のボイド率を前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値へ変換して前記流体計算部へ与える第2の変換処理部と、を具備することを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the two-phase heat flow analysis apparatus according to the present invention is configured to analyze the shape data of an analysis target given from an input unit and a heat source from which heat enters and exits a plurality of sections obtained by dividing a flow field. Based on initial parameters including initial range of region, boundary condition between this heat source region and other region, flow velocity, pressure, enthalpy, and physical properties including density, viscosity and thermal conductivity. A fluid calculation unit that calculates the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow, and a data storage area for the plurality of sections based on the pressure and enthalpy of the two-phase flow calculated by the fluid calculation unit. The mass flow rate calculation unit for calculating the mass flow rate fraction of the two-phase flow with reference to the stored mathematical formula information for calculating the mass flow rate fraction of the two-phase flow and the information of the state equation, and the plurality of sections Against the data While referring to the information of the state equation stored in the storage area, the physical property values including the density, viscosity and thermal conductivity of each phase constituting the two-phase flow are obtained, while the physical properties of the two-phase flow stored in the data storage area are obtained. Referring to the mathematical formula information for calculating the value, based on the physical property value of each phase constituting the two-phase flow and the mass flow rate fraction of the two-phase flow calculated by the mass flow rate calculation unit, the two-phase flow Based on the physical property value calculation unit for calculating physical property values including density, viscosity and thermal conductivity, the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow calculated by the fluid calculation unit, and preset calculation end conditions, A calculation end determination unit that determines whether or not the calculation end condition is satisfied, a first region that is located within a predetermined range from the heat source region, and a position outside the predetermined range are all the analysis target regions. The fluid calculation unit The mass flow rate fraction calculation unit and the physical property value calculation unit are configured to calculate at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region, A macro fluid calculation unit for calculating the flow velocity, pressure, enthalpy and void fraction of the two-phase flow in the region of 2, and the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow in the first region calculated by the fluid calculation unit; , The physical property value calculating unit calculates at least one physical property value of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region, and the density of the two-phase flow stored in the data storage region, The two-phase in the first region calculated by the physical property value calculation unit based on information defining a relationship between at least one physical property value of viscosity and thermal conductivity and a void ratio of the two-phase flow A first conversion processing unit that converts at least one physical property value of flow density, viscosity, and thermal conductivity into a void fraction of the two-phase flow and gives the macro fluid calculation unit, and stored in a data storage area The two-phase flow calculated by the macro fluid calculation unit with reference to information defining the relationship between the physical property value of at least one of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow and the void ratio of the two-phase flow A second conversion processing unit that converts the void fraction of the flow into at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow and applies the converted value to the fluid calculation unit. To do.

本発明に係る二相熱流動解析方法は、上述した課題を解決するため、コンピュータを用いて二相流の熱流動現象を予測する方法であり、流体計算部が、流れ場を分割した複数の区画に対して、入力部から与えられた解析対象の形状データ、熱が出入する熱源領域の範囲、この熱源領域と他領域との境界条件、前記解析対象となる二相流の流速、圧力、エンタルピ並びに密度、粘度および熱伝導率を含む物性値の初期値を含む初期パラメータに基づき、前記二相流の流速、圧力およびエンタルピを計算する流体算出ステップと、質量流量分率計算部が、前記複数の区画に対して、前記流体算出ステップで算出された二相流の圧力およびエンタルピに基づいて、データ格納領域に格納した前記二相流の質量流量分率を算出する数式情報と、状態方程式の情報とを参照し、前記二相流の質量流量分率を算出する質量流量分率算出ステップと、物性値計算部が、前記複数区画に対して、データ格納領域に格納した状態方程式の情報を参照し、前記二相流を構成する各相の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を得る一方、データ格納領域に格納した前記二相流の物性値を算出する数式情報を参照し、前記二相流を構成する各相の物性値および質量流量分率算出ステップで算出された前記二相流の質量流量分率に基づいて、前記二相流の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を計算する物性値算出ステップと、を具備し、前記解析対象となる全領域を、前記熱源領域から所定範囲内に位置する第1の領域と、前記所定範囲外に位置する第2の領域とに分割し、前記流体計算部、質量流量分率計算部および物性値計算部が前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を算出するように構成される一方、さらに、マクロ流体計算部が、前記第2の領域における前記二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を計算するマクロ流体算出ステップと、第1の変換処理部が、前記流体計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の流速、圧力およびエンタルピと、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報とに基づいて、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を前記二相流のボイド率へ変換して前記マクロ流体計算部へ与える第1の変換処理ステップと、第2の変換処理部が、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報を参照し、前記マクロ流体計算部が算出した前記二相流のボイド率を前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値へ変換して前記流体計算部へ与える第2の変換処理ステップと、計算終了判定部が、前記流体算出ステップで算出された前記第1の領域における二相流の流速、圧力およびエンタルピと、前記マクロ流体算出ステップで算出された前記第2の領域における前記二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率と、予め設定された計算終了条件とに基づいて、前記計算終了条件を満足するか否かを判定する計算終了判定ステップとを具備することを特徴とする。 A two-phase heat flow analysis method according to the present invention is a method for predicting a heat flow phenomenon of a two-phase flow using a computer in order to solve the above-described problem, and the fluid calculation unit has a plurality of divided flow fields. For the section, the shape data of the analysis target given from the input unit, the range of the heat source region where heat enters and exits, the boundary condition between this heat source region and other regions, the flow velocity of the two-phase flow to be analyzed, the pressure, A fluid calculation step for calculating the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow based on enthalpy and initial parameters including initial values of physical properties including density, viscosity and thermal conductivity, and a mass flow rate calculation unit, for a plurality of compartments, based on the pressure and enthalpy of two-phase flow calculated in the fluid calculation step, the formula information for calculating the mass flow rate fraction of the two-phase flow has been stored in the data storage area, state how The mass flow rate calculation step of calculating the mass flow rate fraction of the two-phase flow with reference to the information of the equation, and the physical property value calculation unit of the state equation stored in the data storage area for the plurality of sections While referring to the information, obtain physical property values including the density, viscosity and thermal conductivity of each phase constituting the two-phase flow, while referring to mathematical formula information for calculating the physical property values of the two-phase flow stored in the data storage area And, based on the physical property value of each phase constituting the two-phase flow and the mass flow rate fraction of the two-phase flow calculated in the mass flow rate calculation step, the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow A physical property value calculating step for calculating a physical property value including: a first region located within a predetermined range from the heat source region, and a first region located outside the predetermined range. Divided into two regions, the fluid calculation unit, the mass flow rate While the calculation unit and the physical property value calculation unit are configured to calculate at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region, the macro fluid calculation unit Is a macro fluid calculation step for calculating the flow velocity, pressure, enthalpy and void fraction of the two-phase flow in the second region, and the first conversion processing unit calculates the first region for the fluid calculation unit to calculate. The flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow in the above, and at least one physical property value of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region calculated by the physical property value calculation unit, data Based on the information defining the relationship between at least one physical property value of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow stored in the storage area and the void ratio of the two-phase flow, the physical property meter A physical property value of at least one of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region calculated by the calculation unit is converted into the void fraction of the two-phase flow and given to the macro fluid calculation unit The first conversion processing step and the second conversion processing unit store at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow stored in the data storage area and the void ratio of the two-phase flow. The void ratio of the two-phase flow calculated by the macro fluid calculation unit is converted into at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow. A second conversion processing step applied to the fluid calculation unit and a calculation end determination unit, the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow in the first region calculated in the fluid calculation step, and the macro fluid calculation. In steps Flow rate of the two-phase flow in the second region issued, pressure, and enthalpy and void fraction, based on the calculation end condition set in advance, calculates and determines whether to satisfy the calculation end condition An end determination step.

本発明によれば、沸騰などの相変化を伴う二相流の熱流動現象を解析する際に、実験などから作成された構成方程式および流動様式マップを使用することなく、現象自体を直接評価することができる。   According to the present invention, when analyzing a heat flow phenomenon of a two-phase flow accompanied by a phase change such as boiling, the phenomenon itself is directly evaluated without using a constitutive equation and a flow pattern map created from an experiment or the like. be able to.

本発明の第1実施形態に係る二相熱流動解析装置の機能的な構成を概略的に示した機能ブロック図。The functional block diagram which showed roughly the functional structure of the two-phase heat-fluid-analysis apparatus which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1実施形態に係る二相熱流動解析方法の処理手順を示す処理フロー図。The processing flowchart which shows the process sequence of the two-phase heat flow analysis method which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法により数値解析する二つの計算領域および二相流現象を生じさせる熱が出入りする熱源領域を示す説明図。Explanatory drawing which shows the heat source area | region where the heat | fever which comes and goes in and out of the two calculation area | regions and the two-phase flow phenomenon which numerically analyze by the two-phase heat-fluid-analysis apparatus and two-phase heat-fluid-analysis method which concern on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る二相熱流動解析装置の機能的な構成を概略的に示した機能ブロック図。The functional block diagram which showed schematically the functional structure of the two-phase thermal-fluid-analysis apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2実施形態に係る二相熱流動解析方法の処理手順を示す処理フロー図。The processing flowchart which shows the process sequence of the two-phase heat flow analysis method which concerns on 2nd Embodiment of this invention. フェーズフィールド法の概念を説明する図であり、沸騰気泡の内外および界面の密度分布を示す説明図。It is a figure explaining the concept of a phase field method, and explanatory drawing which shows the inside and outside of a bubbling bubble, and the density distribution of an interface.

以下、本発明の実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法について、添付の図面を参照して説明する。   Hereinafter, a two-phase heat flow analysis apparatus and a two-phase heat flow analysis method according to embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

[第1の実施形態]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る二相熱流動解析装置の一例である第1の二相熱流動解析装置10Aの機能的な構成を概略的に示した機能ブロック図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a functional block diagram schematically showing a functional configuration of a first two-phase heat flow analysis apparatus 10A that is an example of a two-phase heat flow analysis apparatus according to the first embodiment of the present invention. .

第1の二相熱流動解析装置10Aは、例えば、第1の二相熱流動解析装置の各手段である入力部11、流体計算部12、クォリティ計算部13、物性値計算部14、計算終了判定部15および表示部16として機能させる第1の二相熱流動解析プログラム(図1において省略)をコンピュータに実行させることによって、ハードウェア資源であるコンピュータとソフトウェア資源であるプログラムとが協働して実現される装置である。   The first two-phase heat flow analysis device 10A includes, for example, an input unit 11, a fluid calculation unit 12, a quality calculation unit 13, a physical property value calculation unit 14, and a calculation end, which are each means of the first two-phase heat flow analysis device. By causing the computer to execute a first two-phase heat flow analysis program (not shown in FIG. 1) that functions as the determination unit 15 and the display unit 16, a computer that is a hardware resource and a program that is a software resource cooperate with each other. It is a device that is realized.

第1の二相熱流動解析装置10Aは、流体の流速と圧力、エンタルピを計算する流体計算部12と、二相で構成された流体の質量流量分率(クォリティ)を計算するクォリティ計算部(質量流量分率計算部)13と、密度、粘度(粘性係数)、熱伝導率、比熱などの物性値を計算する物性値計算部14と、予め与えておいた計算終了条件を満たすか否かを判定する計算終了判定部15とを具備する。計算終了判定部15が計算終了条件を満たすと判定した場合、その直前のタイムステップで得られた計算結果が、ディスプレイ等の表示手段で構成された表示部16に表示される。   The first two-phase thermal flow analysis apparatus 10A includes a fluid calculation unit 12 that calculates the flow velocity, pressure, and enthalpy of a fluid, and a quality calculation unit that calculates a mass flow rate fraction (quality) of a fluid composed of two phases. (Mass flow rate fraction calculation unit) 13, physical property value calculation unit 14 for calculating physical property values such as density, viscosity (viscosity coefficient), thermal conductivity, specific heat, etc. A calculation end determination unit 15 for determining When the calculation end determination unit 15 determines that the calculation end condition is satisfied, the calculation result obtained in the immediately preceding time step is displayed on the display unit 16 configured by display means such as a display.

なお、図1に示される符号21はクォリティを算出するために使用する数式やパラメータの情報を含むクォリティ算出情報であり、符号22は物性値を算出するために使用する数式やパラメータの情報を含む物性値算出情報である。クォリティ算出情報21および物性値算出情報22は、例えば、第1の二相熱流動解析プログラムを実行するコンピュータが読み出し可能なデータ格納領域に格納される。   Note that reference numeral 21 shown in FIG. 1 is quality calculation information including mathematical expression and parameter information used for calculating quality, and reference numeral 22 includes mathematical expression and parameter information used for calculating physical property values. This is physical property value calculation information. The quality calculation information 21 and the physical property value calculation information 22 are stored, for example, in a data storage area that can be read by a computer that executes the first two-phase heat flow analysis program.

入力部11は、例えば、コンピュータとインターフェイスを介して接続される入力装置またはコンピュータ自身が備えるキーボードやマウス等の入力手段によって実現される。入力部11は、入力された情報の種類に応じて、流体計算部12、クォリティ計算部13、物性値計算部14、計算終了判定部15および表示部16の何れかに入力された情報を与える。   The input unit 11 is realized by, for example, an input device connected to a computer via an interface or input means such as a keyboard or a mouse provided in the computer itself. The input unit 11 gives information input to any of the fluid calculation unit 12, the quality calculation unit 13, the physical property value calculation unit 14, the calculation end determination unit 15, and the display unit 16 according to the type of input information. .

入力部11から与える初期パラメータとしては、例えば、流れ場を分割した複数の区画に対する解析対象の形状データ、熱が出入する熱源領域の範囲、熱源領域と他領域(解析対象のうち熱源領域以外の領域)との境界条件、解析対象となる二相流の流速、圧力、エンタルピ並びに密度、粘度および熱伝導率を含む物性値の初期値が含まれる。   The initial parameters given from the input unit 11 include, for example, shape data of an analysis target for a plurality of sections obtained by dividing a flow field, a range of a heat source region where heat enters and exits, a heat source region and other regions (of the analysis target other than the heat source region) Area), initial values of physical properties including the flow velocity, pressure, enthalpy, density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow to be analyzed.

流体計算部12は、例えば、フェーズフィールド法等の公知の手法を用いて、熱流動の解析計算を行う手段である。流体計算部12は、例えば、入力部11等の入力手段から与えられた初期パラメータに基づいて、流れ場の空間を複数に分割した区画に対し、計算格子による有限体積法や有限差分法などの公知の数値解析手法を適用して計算する。   The fluid calculation unit 12 is means for performing an analysis calculation of heat flow using a known method such as a phase field method. For example, the fluid calculation unit 12 performs, for example, a finite volume method using a calculation grid or a finite difference method on a section obtained by dividing a flow field space into a plurality of sections based on initial parameters given from input means such as the input unit 11. Calculation is performed by applying a known numerical analysis method.

流体計算部12は、流れ場の空間を複数に分割した各区画の流体が、界面を含む二相状態であるかを判定する機能と、例えば、入力部11等の入力手段から与えられた初期パラメータに基づいて、流体の流速、圧力およびエンタルピを計算する機能を有する。流体計算部12は、流体が二相の場合、相間の界面を追跡しながら当該流体の流速、圧力およびエンタルピを計算することができる。また、流体計算部12は、流体が単相の場合には、当該相における流体の流速、圧力およびエンタルピを計算することができる。   The fluid calculation unit 12 has a function of determining whether the fluid in each section obtained by dividing the flow field space into a plurality of phases is in a two-phase state including an interface, and, for example, an initial value given from input means such as the input unit 11 Based on the parameters, it has the function of calculating the fluid flow rate, pressure and enthalpy. When the fluid has two phases, the fluid calculation unit 12 can calculate the flow velocity, pressure, and enthalpy of the fluid while tracking the interface between the phases. Moreover, when the fluid is a single phase, the fluid calculation unit 12 can calculate the flow velocity, pressure, and enthalpy of the fluid in the phase.

クォリティ計算部13は、流れ場の空間を複数に分割した各区画の流体が界面を含む二相状態である場合、流体計算部12で算出された圧力、エンタルピ、および予め読み出し可能なクォリティ算出情報21が有する情報に基づいて、界面を含む区画に対して質量流量分率(クォリティ)を計算する手段である。   When the fluid in each section obtained by dividing the flow field space into a plurality of phases is in a two-phase state including an interface, the quality calculation unit 13 calculates the pressure and enthalpy calculated by the fluid calculation unit 12 and quality calculation information that can be read in advance. 21 is a means for calculating a mass flow rate fraction (quality) for a section including an interface based on information possessed by 21.

また、クォリティ計算部13は、例えば、機械学会等の機関が提供する蒸気表などで与えられる状態方程式を用いて、飽和状態での液体および気体の物性値を計算する機能と、流れ場の空間を複数に分割した各区画の流体が界面を含む二相状態である場合、流体計算部12で算出された圧力、エンタルピ、および予め読み出し可能なクォリティ算出情報21が有する情報に基づいて、界面を含む区画に対して質量流量分率(クォリティ)を計算する機能と、質量流量分率の計算結果を物性値計算部14へ出力する機能とを有する。   In addition, the quality calculation unit 13 uses, for example, a state equation given by a vapor table or the like provided by an organization such as the Japan Society of Mechanical Engineers and the like, and calculates a physical property value of a liquid and a gas in a saturated state, and a flow field space Is divided into a plurality of sections in a two-phase state including an interface, the interface is determined based on the pressure and enthalpy calculated by the fluid calculation unit 12 and the information included in the quality calculation information 21 that can be read in advance. It has a function of calculating the mass flow rate fraction (quality) for the included compartment, and a function of outputting the calculation result of the mass flow rate fraction to the physical property value calculation unit 14.

クォリティ算出情報21は、蒸気表などで与えられる状態方程式の情報と、質量流量分率(クォリティ)xを算出する数式情報とを有する。質量流量分率xは、流体計算部12で求めた区画における二相流のエンタルピh、流体計算部12で算出された圧力、エンタルピおよび上記状態方程式から導出される低温相のエンタルピh、高温相のエンタルピhとする場合、以下の式(1)によって算出される。なお、質量流量分率xは、相変化する物質の種類によって異なるので、複数種類の物質を解析対象とする場合には物質毎に用意する。
The quality calculation information 21 includes state equation information given by a steam table or the like, and mathematical formula information for calculating a mass flow rate fraction (quality) x. The mass flow rate fraction x is the enthalpy h of the two-phase flow in the section obtained by the fluid calculation unit 12, the pressure and enthalpy calculated by the fluid calculation unit 12, and the enthalpy h l of the low temperature phase derived from the above equation of state, When the enthalpy h h of the phase is calculated, it is calculated by the following equation (1) The mass flow rate x varies depending on the type of the substance that changes in phase. Therefore, when a plurality of kinds of substances are to be analyzed, they are prepared for each substance.

物性値計算部14は、流体計算部12が算出した各区画での圧力とエンタルピ、クォリティ計算部13が算出した質量流量分率(クォリティ)および予め読み出し可能な物性値算出情報22が有する情報に基づいて、単相および二相の流体の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を計算する手段である。   The physical property value calculation unit 14 uses the pressure and enthalpy in each section calculated by the fluid calculation unit 12, the mass flow rate (quality) calculated by the quality calculation unit 13, and the information included in the physical value calculation information 22 that can be read in advance. Based on this, it is a means for calculating physical property values such as density, viscosity, thermal conductivity and specific heat of single-phase and two-phase fluids.

物性値算出情報22は、蒸気表などで与えられる状態方程式の情報と、二相の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を算出する数式情報とを有する。二相流の密度ρ、気体体積率(ボイド率)α、液体体積率α、粘度μ、熱伝導率λ、比熱cについては、それぞれ、以下の式(2)〜(10)によって算出される。なお、上記物性値は、相変化する物質の種類によって異なるので、複数種類の物質を解析対象とする場合には物質毎に用意する。
The physical property value calculation information 22 includes information on a state equation given by a steam table or the like, and mathematical formula information for calculating physical property values such as two-phase density, viscosity, thermal conductivity, and specific heat. The density of two-phase flow [rho, gas volume fraction (void fraction) alpha g, liquid volume fraction alpha l, viscosity mu, thermal conductivity lambda, the specific heat c p, depending respectively, the following equation (2) - (10) Calculated. Note that the physical property values differ depending on the types of substances that undergo phase change. Therefore, when a plurality of types of substances are to be analyzed, they are prepared for each substance.

なお、単相(固相、液相および気相)の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値については、物性値計算部14が蒸気表などで与えられる状態方程式の情報を参照することで取得できる。   For physical property values such as density, viscosity, thermal conductivity, and specific heat of a single phase (solid phase, liquid phase and gas phase), the physical property value calculation unit 14 refers to information on a state equation given by a vapor table or the like. Can be obtained.

計算終了判定部15は、流体計算部12が算出した流体の流速、圧力、エンタルピの算出結果および予め指定された計算終了条件に基づいて、予め指定された計算終了条件を満足するか否かを判定する手段である。   The calculation end determination unit 15 determines whether or not the predetermined calculation end condition is satisfied based on the calculation result of the fluid flow velocity, pressure, and enthalpy calculated by the fluid calculation unit 12 and the predetermined calculation end condition. It is a means to determine.

計算終了条件の与え方としては、例えば、流体の質量、運動量およびエネルギの三つの保存法則から与えられる収束条件を与えたり、パラメータおよび値を指定して与えたり、計算を終了するタイムステップ数で与えたり等、幾つかの方法を採用することができる。   The calculation end condition can be given by, for example, giving the convergence condition given by the three conservation laws of fluid mass, momentum and energy, giving parameters and values, or by the number of time steps to finish the calculation. Several methods can be employed, such as giving.

計算終了判定部15は、予め指定された計算終了条件を満足していると判断した場合、現在の1タイムステップで算出した流体の流速、圧力およびエンタルピ、並びに、密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を計算結果として表示部16へ与える。一方、予め指定された計算終了条件を満足していないと判断した場合、現在の1タイムステップで算出した流体の流速、圧力およびエンタルピ、並びに、密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を流体計算部12に与える。   When the calculation end determination unit 15 determines that the calculation end condition specified in advance is satisfied, the fluid flow velocity, pressure and enthalpy calculated in the current one time step, and density, viscosity, thermal conductivity, A physical property value such as specific heat is given to the display unit 16 as a calculation result. On the other hand, if it is determined that the pre-specified calculation termination conditions are not satisfied, the fluid flow velocity, pressure and enthalpy calculated in the current one time step, and physical properties such as density, viscosity, thermal conductivity, specific heat, etc. Is given to the fluid calculation unit 12.

表示部16は、例えば、コンピュータとインターフェイスを介して接続される表示装置またはコンピュータ自身が備えるディスプレイ等の表示手段によって実現される。表示部16は、入力部11が受け付けた表示要求または計算終了判定部15から計算結果の表示要求を受け取ると、当該表示要求に応じた内容を画面表示する。   The display unit 16 is realized by display means such as a display device connected to a computer via an interface or a display included in the computer itself. When the display unit 16 receives a display request received by the input unit 11 or a calculation result display request from the calculation end determination unit 15, the display unit 16 displays the content corresponding to the display request on the screen.

例えば、流体計算部12が算出した各区画での圧力とエンタルピの算出結果を表示する旨の要求を入力部11から表示部16が受け取った場合、表示部16は流体計算部12が算出した各区画での圧力とエンタルピの算出結果を画面表示する。また、計算結果の表示要求を計算終了判定部15から表示部16が受け取った場合、計算終了条件を満足したタイミングでの物性値(例えば、流速、圧力、エンタルピ、密度、粘度、熱伝導率および比熱等)を計算終了判定部15から受け取り、画面表示する。   For example, when the display unit 16 receives a request to display the calculation result of the pressure and enthalpy in each section calculated by the fluid calculation unit 12 from the input unit 11, the display unit 16 displays each calculation calculated by the fluid calculation unit 12. The calculation result of the pressure and enthalpy in the compartment is displayed on the screen. In addition, when the display unit 16 receives a calculation result display request from the calculation end determination unit 15, physical property values (for example, flow velocity, pressure, enthalpy, density, viscosity, thermal conductivity, and Specific heat) is received from the calculation end determination unit 15 and displayed on the screen.

このように、第1の二相熱流動解析装置10Aは、流れ場を分割した複数の区画に対して、入力部11から与えられた解析対象の初期パラメータに基づき、解析対象となる流体の流速、圧力、エンタルピを計算する流体計算部12と、前記複数の区画に対して、流体計算部12で算出された二相流の圧力およびエンタルピに基づいて、データ格納領域に格納した二相流の質量流量分率を算出する数式情報と状態方程式の情報とを有するクォリティ算出情報21を参照して二相流の質量流量分率を算出する質量流量分率計算部13と、前記複数区画に対して、データ格納領域に格納した二相流の物性値を算出する数式情報と状態方程式の情報とを有する物性値算出情報22を参照し、二相流を構成する各相の密度、粘度(粘性係数)および熱伝導率を含む物性値を得る一方、二相流を構成する各相の物性値および質量流量分率計算部13が算出した二相流の質量流量分率に基づいて、二相流の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を計算する物性値計算部14と、流体計算部14が算出した二相流の流速、圧力およびエンタルピと、予め設定された計算終了条件とに基づいて、計算終了条件を満足するか否かを判定する計算終了判定部15と、を具備する。   As described above, the first two-phase heat flow analysis device 10A is configured to analyze the flow velocity of the fluid to be analyzed based on the initial parameters of the analysis target given from the input unit 11 to the plurality of sections obtained by dividing the flow field. The fluid calculation unit 12 that calculates pressure and enthalpy, and the two-phase flow stored in the data storage area based on the pressure and enthalpy of the two-phase flow calculated by the fluid calculation unit 12 for the plurality of sections. A mass flow rate calculation unit 13 for calculating a mass flow rate fraction of a two-phase flow with reference to quality calculation information 21 having mathematical formula information for calculating a mass flow rate fraction and state equation information, and for the plurality of sections The physical property value calculation information 22 having the mathematical formula information for calculating the physical property value of the two-phase flow stored in the data storage area and the state equation information is referred to, and the density and viscosity (viscosity) of each phase constituting the two-phase flow Coefficient) and heat transfer While obtaining the physical property value including the rate, the density and viscosity of the two-phase flow based on the physical property value of each phase constituting the two-phase flow and the mass flow rate fraction of the two-phase flow calculated by the mass flow rate calculation unit 13 Completion of the calculation based on the physical property value calculation unit 14 for calculating the physical property value including the thermal conductivity, the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow calculated by the fluid calculation unit 14 and preset calculation end conditions A calculation end determination unit 15 for determining whether or not the condition is satisfied.

続いて、本発明の第1の実施形態に係る二相熱流動解析方法の一例である第1の二相熱流動解析方法について説明する。   Next, a first two-phase heat flow analysis method that is an example of the two-phase heat flow analysis method according to the first embodiment of the present invention will be described.

図2は、第1の二相熱流動解析方法の一例であり、第1の二相熱流動解析装置10Aが行う第1の二相熱流動解析手順の処理手順を示す処理フロー図である。   FIG. 2 is an example of a first two-phase heat flow analysis method, and is a process flow diagram showing a process procedure of a first two-phase heat flow analysis procedure performed by the first two-phase heat flow analysis apparatus 10A.

第1の二相熱流動解析手順は、流体算出部12が流体の流速、圧力、エンタルピを算出する流体算出ステップ(ステップS1)と、クォリティ算出部13が二相で構成された流体のクォリティを算出するクォリティ算出ステップ(ステップS2)と、物性値計算部14が密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を計算する物性値算出ステップ(ステップS3)と、計算終了判定部15が予め与えておいた計算終了条件を満たすか否かを判定する計算終了判定ステップ(ステップS4)とを具備する。   The first two-phase heat flow analysis procedure includes a fluid calculation step (step S1) in which the fluid calculation unit 12 calculates the flow velocity, pressure, and enthalpy of the fluid, and the quality calculation unit 13 determines the quality of the fluid composed of two phases. A quality calculating step (step S2) to be calculated, a physical property value calculating step (step S3) in which the physical property value calculating unit 14 calculates physical property values such as density, viscosity, thermal conductivity, specific heat, and a calculation end determining unit 15 in advance. A calculation end determination step (step S4) for determining whether or not the given calculation end condition is satisfied.

第1の二相熱流動解析手順は、第1の二相熱流動解析手順の処理実行要求およびステップS1以降の計算で必要な初期パラメータの入力を受け付けると、処理手順の実行を開始する(START)。ここで、初期パラメータは、例えば、流れ場における形状データ、加熱(または冷却)区域の境界条件、および流体の流速、圧力、エンタルピ、温度、そして、密度、粘度、熱伝導率、比熱等の物性値である。   When the first two-phase heat flow analysis procedure receives the process execution request of the first two-phase heat flow analysis procedure and the input of initial parameters necessary for the calculation after step S1, the execution of the process procedure is started (START). ). Here, the initial parameters are, for example, flow field shape data, heating (or cooling) zone boundary conditions, and fluid flow velocity, pressure, enthalpy, temperature, and physical properties such as density, viscosity, thermal conductivity, and specific heat. Value.

ステップS1では、流体計算部12が、流れ場の空間を複数に分割した区画に対して、入力を受け付けた初期パラメータに基づいて、流れ場の空間を複数に分割した各区画の流体が蒸気もしくは液体のみからなる単相状態であるか、または、界面を含む二相状態であるかを判定し、流体の流速、圧力およびエンタルピを計算する(流体算出ステップ)。   In step S1, the fluid calculation unit 12 determines that the fluid in each section divided into a plurality of flow field spaces is vapor or vapor based on the initial parameters received for the sections obtained by dividing the flow field space into a plurality of sections. It is determined whether it is a single-phase state consisting of only a liquid or a two-phase state including an interface, and the flow velocity, pressure and enthalpy of the fluid are calculated (fluid calculation step).

流体計算部12は、例えば、入力を受け付けた初期パラメータに基づき、相間の界面の存否を判断し、解析を行う流体が単相状態であるか二相状態であるかを判定する。そして、界面を含む二相状態と判断した場合には、例えば、フェーズフィールド法等に基づいて二相流体の流速、圧力およびエンタルピを計算する。流体の流速、圧力およびエンタルピが算出されると、ステップS1の処理ステップは完了する。   For example, the fluid calculation unit 12 determines whether or not there is an interface between phases based on an initial parameter that has received an input, and determines whether the fluid to be analyzed is in a single-phase state or a two-phase state. When it is determined that the two-phase state includes the interface, for example, the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase fluid are calculated based on the phase field method or the like. When the fluid flow velocity, pressure and enthalpy are calculated, the processing step of step S1 is completed.

続くステップS2では、クォリティ計算部13が、ステップS1で算出された流体の圧力およびエンタルピと、クォリティ算出情報21を参照して、界面を含む区画に対して質量流量分率(クォリティ)を計算する(クォリティ算出ステップ)。   In the subsequent step S2, the quality calculation unit 13 refers to the fluid pressure and enthalpy calculated in step S1 and the quality calculation information 21, and calculates a mass flow rate fraction (quality) for the compartment including the interface. (Quality calculation step).

質量流量分率は、クォリティ計算部13が、クォリティ算出情報21に含まれる上述した式(1)を用いて、式(1)の各パラメータh,h,hに数値を代入して計算することで算出することができる。ここで、式(1)に含まれる二相流のエンタルピhは、流体計算部12が算出したものを用いる。また、低温相のエンタルピh、高温相のエンタルピhは、クォリティ算出情報21に含まれる状態方程式を用いて計算した結果を用いる。質量流量分率が算出されると、ステップS2の処理ステップは完了する。 The mass flow rate fraction is calculated by the quality calculation unit 13 by substituting numerical values for the parameters h, h l , h h of the formula (1) using the above-described formula (1) included in the quality calculation information 21. This can be calculated. Here, as the enthalpy h of the two-phase flow included in the equation (1), the one calculated by the fluid calculation unit 12 is used. The low temperature phase enthalpy h l and the high temperature phase enthalpy h h use the results calculated using the equation of state included in the quality calculation information 21. When the mass flow rate fraction is calculated, the processing step of step S2 is completed.

続くステップS3では、物性値計算部14が流体算出ステップ(ステップS1)で算出された各区画での圧力とエンタルピと、クォリティ算出ステップ(ステップS2)で算出された算出された質量流量分率(クォリティ)xと、物性値算出情報22が有する二相の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を算出する数式情報(式(2)〜(10))とに基づいて、二相の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を計算する(物性値算出ステップ)。   In subsequent step S3, the physical property value calculation unit 14 calculates the pressure and enthalpy in each section calculated in the fluid calculation step (step S1), and the calculated mass flow rate fraction (step S2) calculated in the quality calculation step (step S2). (Quality) x and two-phase based on mathematical information (Formulas (2) to (10)) for calculating physical properties such as density, viscosity, thermal conductivity, specific heat, etc. Physical property values such as density, viscosity, thermal conductivity, specific heat, etc. are calculated (physical property value calculation step).

このステップS3で算出される物性値は、ステップS1での入力に対して1タイムステップ後の物性値である。二相の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値が算出されると、ステップS3の処理ステップは完了する。   The physical property value calculated in step S3 is a physical property value after one time step with respect to the input in step S1. When physical property values such as two-phase density, viscosity, thermal conductivity, and specific heat are calculated, the processing step of step S3 is completed.

続くステップS4では、計算終了判定部15が予め指定された計算終了条件を満足するか否かを判定し、満たすと判断した場合(ステップS4でYESの場合)、第1の二相熱流動解析手順は終了する(END)。   In subsequent step S4, if the calculation end determination unit 15 determines whether or not a predetermined calculation end condition is satisfied, and if it is determined to be satisfied (YES in step S4), the first two-phase heat flow analysis The procedure ends (END).

一方、計算終了判定部15が予め指定された計算終了条件を満たさないと判断した場合(ステップS4でNOの場合)、ステップS1に戻り、ステップS1以降の処理を繰り返す。すなわち、次の1タイムステップ後における流体の流速、圧力、エンタルピ、温度、そして、密度、粘度、熱伝導率、比熱等の物性値の計算を開始する。ステップS1以降の処理ステップがn(nは2以上の自然数)回目以降の場合、直前のタイムステップであるn−1回目で算出された流体の流速、圧力、エンタルピ、温度、そして、密度、粘度、熱伝導率、比熱等の物性値が使用される。   On the other hand, when the calculation end determination unit 15 determines that the calculation end condition specified in advance is not satisfied (NO in step S4), the process returns to step S1, and the processes after step S1 are repeated. That is, calculation of physical properties such as flow velocity, pressure, enthalpy, temperature, and density, viscosity, thermal conductivity, specific heat, etc. after the next one time step is started. When the processing steps after step S1 are n (n is a natural number of 2 or more) and subsequent times, the flow velocity, pressure, enthalpy, temperature, density, and viscosity of the fluid calculated at the (n-1) th time step immediately before Physical property values such as thermal conductivity and specific heat are used.

次に、解析対象となる流体および熱源領域における熱の出入(加熱または冷却)に応じた第1の二相熱流動解析方法の実施例について説明する。   Next, an example of the first two-phase heat flow analysis method according to heat input / output (heating or cooling) in the fluid to be analyzed and the heat source region will be described.

(1)第1の実施例
第1の実施例は、解析対象となる流体は水とし、解析領域を囲む境界の一部となる熱源領域は解析対象である流体(水)を加熱する場合の例である。第1の実施例では、熱源領域が流体(水)を加熱することによって、水が沸騰して蒸気泡が発生する現象を解析により評価することを考える。
(1) First Example In the first example, the fluid to be analyzed is water, and the heat source region that is part of the boundary surrounding the analysis region heats the fluid (water) to be analyzed. It is an example. In the first embodiment, it is considered that the heat source region heats the fluid (water) to evaluate the phenomenon in which water boils and vapor bubbles are generated by analysis.

第1の実施例の場合、クォリティ算出情報21として、飽和状態での水の物性値を計算する状態方程式の情報が蒸気表などで与えられ、クォリティ計算部13が式(1)によって与えられる質量流量分率xを計算する。また、物性値算出情報22の物性値を算出する数式情報としては、式(2),(3)があれば気液二相流の密度ρを、式(4)があれば気液二相流の気体体積率(ボイド率)αを、式(6)があれば気液二相流の粘度μを、式(8)があれば気液二相流の熱伝導率λを、式(10)があれば気液二相流の比熱cを算出することができる。 In the case of the first embodiment, as the quality calculation information 21, information on the state equation for calculating the physical property value of water in the saturated state is given by a steam table or the like, and the mass calculated by the quality calculation unit 13 by the equation (1). Calculate the flow rate fraction x. Moreover, as mathematical formula information for calculating the physical property value of the physical property value calculation information 22, the density ρ of the gas-liquid two-phase flow is obtained if there are equations (2) and (3), and the gas-liquid two-phase if there is equation (4). The gas volume fraction (void fraction) α g of the flow, the viscosity μ of the gas-liquid two-phase flow if there is the equation (6), the thermal conductivity λ of the gas-liquid two-phase flow if there is the equation (8), (10) it is possible to calculate the specific heat c p of the gas-liquid two-phase flow, if any.

第1の実施例では、水が熱源領域(加熱領域)において沸騰し蒸気が発生する挙動を解析し、構成方程式を用いずに沸騰熱伝達などの二相流現象を評価することができる。   In the first embodiment, the behavior in which water boils in the heat source region (heating region) and steam is generated can be analyzed, and two-phase flow phenomena such as boiling heat transfer can be evaluated without using a constitutive equation.

(2)第2の実施例
第2の実施例は、解析対象となる流体は水蒸気とし、解析領域を囲む境界の一部となる熱源領域は解析対象である流体(水蒸気)を冷却する場合の例である。第2の実施例では、熱源領域が流体(水蒸気)を冷却することによって、凝縮して液体となる現象を解析により評価することを考える。
(2) Second Example In the second example, the fluid to be analyzed is water vapor, and the heat source region that is a part of the boundary surrounding the analysis region cools the fluid to be analyzed (water vapor). It is an example. In the second embodiment, it is considered that the heat source region cools the fluid (water vapor) to evaluate the phenomenon of condensation and becoming liquid by analysis.

第2の実施例の場合、クォリティ算出情報21として、飽和状態での水蒸気の物性値を計算する状態方程式の情報が蒸気表などで与えられ、クォリティ計算部13が式(1)によって与えられる質量流量分率xを計算する。また、物性値算出情報22の物性値を算出する数式情報としては、式(2),(3)があれば気液二相流の密度ρを、式(4)があれば気液二相流の気体体積率(ボイド率)αを、式(6)があれば気液二相流の粘度μを、式(8)があれば気液二相流の熱伝導率λを、式(10)があれば気液二相流の比熱cを算出することができる。 In the case of the second embodiment, as the quality calculation information 21, information on a state equation for calculating the physical property value of water vapor in a saturated state is given by a steam table or the like, and the mass calculated by the quality calculation unit 13 by the equation (1). Calculate the flow rate fraction x. Moreover, as mathematical formula information for calculating the physical property value of the physical property value calculation information 22, the density ρ of the gas-liquid two-phase flow is obtained if there are equations (2) and (3), and the gas-liquid two-phase if there is equation (4). The gas volume fraction (void fraction) α g of the flow, the viscosity μ of the gas-liquid two-phase flow if there is the equation (6), the thermal conductivity λ of the gas-liquid two-phase flow if there is the equation (8), (10) it is possible to calculate the specific heat c p of the gas-liquid two-phase flow, if any.

第2の実施例では、水蒸気が熱源領域(冷却領域)において凝縮し水が発生する挙動を解析し、構成方程式を用いずに凝縮熱伝達などの二相流現象を評価することができる。   In the second embodiment, a behavior in which water vapor is condensed in the heat source region (cooling region) and water is generated can be analyzed, and a two-phase flow phenomenon such as condensation heat transfer can be evaluated without using a constitutive equation.

(3)第3の実施例
第3の実施例は、解析対象となる流体は水または氷とする。すなわち、解析対象となる流体が水であり、解析領域を囲む境界の一部となる熱源領域が水を冷却する冷却領域である場合には、水が冷却され凝固して氷を形成する現象を解析により評価する例である。また、解析対象となる流体が氷であり、解析領域を囲む境界の一部となる熱源領域が氷を加熱する加熱領域である場合には、氷が融解し水を形成する現象を解析により評価する例である。
(3) Third Example In the third example, the fluid to be analyzed is water or ice. That is, when the fluid to be analyzed is water and the heat source region that is a part of the boundary surrounding the analysis region is a cooling region that cools water, the phenomenon that water is cooled and solidifies to form ice. This is an example of evaluation by analysis. In addition, when the fluid to be analyzed is ice and the heat source region that is part of the boundary surrounding the analysis region is a heating region that heats ice, the phenomenon that ice melts to form water is evaluated by analysis This is an example.

第3の実施例の場合、クォリティ算出情報21として、飽和状態での水蒸気の物性値を計算する状態方程式の情報が蒸気表などで与えられ、クォリティ計算部13が式(1)によって与えられる質量流量分率xを計算する。また、物性値算出情報22の物性値を算出する数式情報としては、式(2),(3)があれば固液二相流の密度ρを、式(5)があれば固液二相流の液体体積率αlを、式(7)があれば固液二相流の粘度μを、式(9)があれば固液二相流の熱伝導率λを、式(10)があれば二相流の比熱cを算出することができる。 In the case of the third embodiment, as the quality calculation information 21, information on a state equation for calculating the physical property value of water vapor in a saturated state is given by a steam table or the like, and the mass calculated by the quality calculation unit 13 by the equation (1). Calculate the flow rate fraction x. Further, as mathematical formula information for calculating the physical property value of the physical property value calculation information 22, if there is the formula (2), (3), the density ρ of the solid-liquid two-phase flow, and if there is the formula (5), the solid-liquid two-phase The liquid volume fraction α l of the flow, the viscosity μ of the solid-liquid two-phase flow if there is an equation (7), the thermal conductivity λ of the solid-liquid two-phase flow if there is the equation (9), and the equation (10) it is possible to calculate the specific heat c p of the two-phase flow, if any.

第3の実施例では、水が熱源領域(冷却領域)において凝固し氷を形成する過程、および氷が熱源領域(加熱領域)において融解し水を形成する過程を解析し、構成方程式を用いずに相間の熱交換などの固液二相流現象を評価することができる。   In the third embodiment, the process of water solidifying and forming ice in the heat source region (cooling region) and the process of ice melting and forming water in the heat source region (heating region) are analyzed, and constitutive equations are not used. In addition, solid-liquid two-phase flow phenomena such as heat exchange between phases can be evaluated.

(4)第4の実施例
第4の実施例は、上記第1〜3の実施例で解析対象とした物質である水の代わりに、水以外の物質を適用した実施例である。第4の実施例では、クォリティ算出情報21および物性値算出情報22として解析対象とする物質の情報を使用する。これにより、クォリティ計算部13が、解析対象とする流体の実用状態方程式等を用いて、流体の飽和状態における物性値、およびクォリティを計算することができる。すなわち、この実施例では、水以外の物質を解析対象とする場合であっても、上記第1〜3の実施例と同様の結果を得ることができる。
(4) Fourth Example The fourth example is an example in which a substance other than water is applied instead of water, which is the substance to be analyzed in the first to third examples. In the fourth embodiment, information on a substance to be analyzed is used as the quality calculation information 21 and the physical property value calculation information 22. Thereby, the quality calculation part 13 can calculate the physical-property value and quality in the saturation state of a fluid using the practical state equation etc. of the fluid made into analysis object. That is, in this embodiment, even when a substance other than water is used as an analysis target, the same result as in the first to third embodiments can be obtained.

このように、第1の二相熱流動解析装置10Aおよび第1の二相熱流動解析方法によれば、水等の流体に対して、従来は構成方程式で与えられていた沸騰熱伝達率などの物理量(物性値)を、構成方程式を用いることなく、計算結果として直接求めることができる。すなわち、第1の二相熱流動解析装置10Aおよび第1の二相熱流動解析方法によれば、構成方程式を用いることなく沸騰熱伝達または凝縮熱伝達などの二相流現象を直接評価することができる。   As described above, according to the first two-phase heat flow analysis device 10A and the first two-phase heat flow analysis method, the boiling heat transfer coefficient conventionally given by the constitutive equation for the fluid such as water, etc. Can be directly obtained as a calculation result without using a constitutive equation. That is, according to the first two-phase heat flow analysis device 10A and the first two-phase heat flow analysis method, the two-phase flow phenomenon such as boiling heat transfer or condensation heat transfer is directly evaluated without using a constitutive equation. Can do.

[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法は、本発明の第1の実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法よりも、より広範な領域を効率良く解析できるように図った装置および方法である。
[Second Embodiment]
The two-phase heat flow analysis device and the two-phase heat flow analysis method according to the second embodiment of the present invention are more than the two-phase heat flow analysis device and the two-phase heat flow analysis method according to the first embodiment of the present invention. And an apparatus and a method for efficiently analyzing a wider area.

図3は、本発明の第2実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法により数値解析する二つの計算領域および二相流現象を生じさせる熱が出入りする熱源領域を示す説明図である。   FIG. 3 shows two calculation regions numerically analyzed by the two-phase heat flow analysis apparatus and the two-phase heat flow analysis method according to the second embodiment of the present invention, and a heat source region where heat that causes a two-phase flow phenomenon enters and leaves. It is explanatory drawing.

図3に示されるように、本発明の第2実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法では、熱源領域の一例である加熱壁面31から所定の距離よりも近い領域である沸騰計算領域32と、遠い領域であるマクロ流体計算領域33との二つの領域に解析対象区域を分割して解析を行う。   As shown in FIG. 3, in the two-phase heat flow analysis device and the two-phase heat flow analysis method according to the second embodiment of the present invention, in a region closer than a predetermined distance from a heating wall surface 31 that is an example of a heat source region. The analysis target area is divided into two areas, a certain boiling calculation area 32 and a macro fluid calculation area 33 which is a far area, and the analysis is performed.

本発明の第2実施形態に係る二相熱流動解析装置および二相熱流動解析方法では、沸騰計算領域32における流体計算を、フェーズフィールド法等を適用した相変化現象を直接評価できる手法を用いて行う一方、それ以外の領域、すなわち、マクロ流体計算領域33における流体計算を、例えば、非特許文献1等に記載される従来手法の一例である二流体モデルを適用して行う。   In the two-phase heat flow analysis device and the two-phase heat flow analysis method according to the second embodiment of the present invention, the fluid calculation in the boiling calculation region 32 is performed using a method that can directly evaluate the phase change phenomenon using the phase field method or the like. On the other hand, the fluid calculation in the other region, that is, the macro fluid calculation region 33 is performed by applying a two-fluid model, which is an example of a conventional method described in Non-Patent Document 1, for example.

なお、図3に示される符号BLは、二つの計算領域32,33の境界である計算領域境界である。また、図3に示される熱源領域の一例である加熱壁面31は、流体を加熱する場合における熱源領域の例であり、逆に流体を冷却する場合には冷却壁面となる。   3 is a calculation region boundary which is a boundary between the two calculation regions 32 and 33. Moreover, the heating wall surface 31 which is an example of the heat source area | region shown by FIG. 3 is an example of the heat source area | region in the case of heating a fluid, and when cooling a fluid conversely, it becomes a cooling wall surface.

図4は、本発明の第2の実施形態に係る二相熱流動解析装置の一例である第2の二相熱流動解析装置10Bの機能的な構成を概略的に示した機能ブロック図である。   FIG. 4 is a functional block diagram schematically showing a functional configuration of a second two-phase heat flow analysis device 10B that is an example of the two-phase heat flow analysis device according to the second embodiment of the present invention. .

図4に示されるように、第2の二相熱流動解析装置10Bは、第1の二相熱流動解析装置10Aに対して、マクロ流体計算部36と、第1の変換処理部37と、第2の変換処理部38とをさらに具備する点で異なる。そこで、本実施形態の説明では、上述した第1の実施形態と異なる点を中心に説明し、同じ構成要素については、同じ符号を付して説明を省略する。   As shown in FIG. 4, the second two-phase heat flow analysis device 10B is different from the first two-phase heat flow analysis device 10A in the macro fluid calculation unit 36, the first conversion processing unit 37, The second difference is that the second conversion processing unit 38 is further provided. Therefore, in the description of the present embodiment, the description will focus on differences from the above-described first embodiment, and the same components are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.

第2の二相熱流動解析装置10Bは、例えば、第2の二相熱流動解析装置の各手段である入力部11、流体計算部12、クォリティ計算部13、物性値計算部14、計算終了判定部15、表示部16、マクロ流体計算部36、第1の変換処理部37および第2の変換処理部38として機能させる第2の二相熱流動解析プログラム(図4において省略)をコンピュータに実行させることによって、ハードウェア資源であるコンピュータとソフトウェア資源であるプログラムとが協働して実現される装置である。   The second two-phase heat flow analysis device 10B includes, for example, an input unit 11, a fluid calculation unit 12, a quality calculation unit 13, a physical property value calculation unit 14, and a calculation end, which are each means of the second two-phase heat flow analysis device. A second two-phase heat flow analysis program (not shown in FIG. 4) that functions as the determination unit 15, the display unit 16, the macro fluid calculation unit 36, the first conversion processing unit 37, and the second conversion processing unit 38 is stored in the computer. By executing the program, a computer that is a hardware resource and a program that is a software resource are realized in cooperation with each other.

第2の二相熱流動解析装置10Bは、第1の二相熱流動解析装置10Aが具備する流体計算部12、クォリティ計算部13、物性値計算部14および計算終了判定部15に加え、マクロ流体計算部36と、第1の変換処理部37と、第2の変換処理部38とをさらに具備して構成される。   The second two-phase heat flow analysis device 10B includes a macro in addition to the fluid calculation unit 12, the quality calculation unit 13, the physical property value calculation unit 14, and the calculation end determination unit 15 included in the first two-phase heat flow analysis device 10A. A fluid calculation unit 36, a first conversion processing unit 37, and a second conversion processing unit 38 are further provided.

なお、図4に示される符号39は、第1の変換処理部37および第2の変換処理部38がパラメータの変換処理を行うために使用する式またはテーブル等の情報を含む変換処理情報である。変換処理情報39は、例えば、第2の二相熱流動解析プログラムを実行するコンピュータが読み出し可能なデータ格納領域に格納される。   4 is conversion processing information including information such as an expression or a table used by the first conversion processing unit 37 and the second conversion processing unit 38 to perform parameter conversion processing. . The conversion processing information 39 is stored, for example, in a data storage area readable by a computer that executes the second two-phase heat flow analysis program.

マクロ流体計算部36は、分割された2つの区域、すなわち、沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界における二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率(気体体積率)が等しくなるという境界条件が与えられ、マクロ流体計算領域33における二相流の流速、圧力、エンタルピ、ボイド率を計算するマクロ流体計算を行う。マクロ流体計算部36に与える境界条件は、第1の変換処理部37が、他方の領域である沸騰計算領域32における流体の流速、圧力およびエンタルピを少なくとも含むパラメータを、マクロ流体計算を行うのに必要な流体の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を少なくとも含むパラメータに変換することによって与えられる。   The macrofluidic calculation unit 36 equalizes the flow velocity, pressure, enthalpy, and void fraction (gas volume fraction) of the two-phase flow in the two divided areas, that is, the boundary between the boiling calculation region 32 and the macrofluidic calculation region 33. The macro fluid calculation for calculating the flow velocity, pressure, enthalpy and void fraction of the two-phase flow in the macro fluid calculation region 33 is performed. The boundary condition given to the macro fluid calculation unit 36 is that the first conversion processing unit 37 performs macro fluid calculation on parameters including at least the fluid flow velocity, pressure, and enthalpy in the boiling calculation region 32 which is the other region. It is given by converting the required fluid flow rate, pressure, enthalpy and void fraction into parameters.

また、流体計算部12は、沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界における二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率が等しくなるという境界条件が与えられ、沸騰計算領域32における流体の流速、圧力、エンタルピを計算するものである。流体計算部12に与える境界条件は、第2の変換処理部38が、他方の領域であるマクロ流体計算領域33における流体の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を少なくとも含むパラメータに変換することによって与えられる。   Further, the fluid calculation unit 12 is given a boundary condition that the flow velocity, pressure, enthalpy, and void fraction of the two-phase flow at the boundary between the boiling calculation region 32 and the macro fluid calculation region 33 are equal, and the fluid in the boiling calculation region 32 The flow velocity, pressure, and enthalpy are calculated. The boundary condition given to the fluid calculation unit 12 is given by the second conversion processing unit 38 converting it into parameters including at least the fluid flow velocity, pressure, enthalpy, and void fraction in the macro fluid calculation region 33 which is the other region. It is done.

流体計算部12とマクロ流体計算部36で得られた結果を計算終了判定部15に入力し、両方の結果が、予め指定された計算終了条件を満足するか否かを判定する。   The results obtained by the fluid calculation unit 12 and the macro fluid calculation unit 36 are input to the calculation end determination unit 15, and it is determined whether or not both results satisfy a predetermined calculation end condition.

このように、第2の二相熱流動解析装置10Bは、第1の二相熱流動解析装置10Aに対して、解析対象となる全領域を、熱源領域から所定範囲内に位置する沸騰計算領域32と、沸騰計算領域32外のマクロ流体計算領域33とに分割し、流体計算部12、質量流量分率計算部13および物性値計算部14が沸騰計算領域32における二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を算出するように構成される点で相違する。   As described above, the second two-phase heat flow analysis device 10B is compared with the first two-phase heat flow analysis device 10A, and the boiling calculation region where the entire region to be analyzed is located within a predetermined range from the heat source region. 32 and a macro fluid calculation area 33 outside the boiling calculation area 32, and the fluid calculation section 12, the mass flow rate calculation section 13, and the physical property value calculation section 14 are divided into the density and viscosity of the two-phase flow in the boiling calculation area 32. And at least one physical property value of thermal conductivity is different.

また、第2の二相熱流動解析装置10Bは、第1の二相熱流動解析装置10Aに対して、マクロ流体計算領域33における二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を計算するマクロ流体計算部36と、流体計算部12が計算する沸騰計算領域32における二相流の流速、圧力およびエンタルピと、物性値計算部14が計算する沸騰計算領域32における二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と、データ格納領域に格納した二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と当該二相流のボイド率との関係を規定した情報とを有する変換処理情報39に基づいて、沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界における二相流のボイド率を求め、当該境界における境界条件をマクロ流体計算部36へ与える第1の変換処理部37と、データ格納領域に格納した変換処理情報39を参照し、マクロ流体計算部36が算出した二相流のボイド率を当該二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値へ変換して流体計算部12へ与える第2の変換処理部38と、をさらに具備する点で相違する。   Further, the second two-phase heat flow analysis device 10B is a macro that calculates the flow velocity, pressure, enthalpy, and void fraction of the two-phase flow in the macrofluid calculation region 33 with respect to the first two-phase heat flow analysis device 10A. The flow rate, pressure and enthalpy of the two-phase flow in the boiling calculation region 32 calculated by the fluid calculation unit 36 and the fluid calculation unit 12, and the density, viscosity and the two-phase flow in the boiling calculation region 32 calculated by the physical property value calculation unit 14 The relationship between at least one physical property value of thermal conductivity and at least one physical property value of density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow stored in the data storage area and the void ratio of the two-phase flow. Based on the conversion processing information 39 having the prescribed information, the void fraction of the two-phase flow at the boundary between the boiling calculation area 32 and the macrofluid calculation area 33 is obtained, and the boundary condition at the boundary is determined. With reference to the first conversion processing unit 37 given to the fluid calculation unit 36 and the conversion processing information 39 stored in the data storage area, the void fraction of the two-phase flow calculated by the macro fluid calculation unit 36 is calculated. It differs in that it further comprises a second conversion processing unit 38 that converts it into a physical property value of at least one of density, viscosity, and thermal conductivity and gives it to the fluid calculation unit 12.

続いて、本発明の第2の実施形態に係る二相熱流動解析方法の一例である第2の二相熱流動解析方法について説明する。   Subsequently, a second two-phase heat flow analysis method which is an example of the two-phase heat flow analysis method according to the second embodiment of the present invention will be described.

図5は、第2の二相熱流動解析方法の一例であり、第2の二相熱流動解析装置10Bが行う第2の二相熱流動解析手順の処理手順を示す処理フロー図である。   FIG. 5 is an example of a second two-phase heat flow analysis method, and is a process flow diagram showing a process procedure of a second two-phase heat flow analysis procedure performed by the second two-phase heat flow analysis apparatus 10B.

第2の二相熱流動解析手順は、第1の二相熱流動解析手順に対して、マクロ流体算出ステップ(ステップS12)と、第1のパラメータ変換処理ステップ(ステップS11)と、第2のパラメータ変換処理ステップ(ステップS13)とをさらに具備する点と、計算終了判定ステップ(ステップS4)の代わりに計算終了判定ステップ(ステップS14)を具備する点で異なる。そこで、第2の二相熱流動解析手順の説明では、上述した第1の二相熱流動解析手順と異なる点を中心に説明し、同じ処理ステップについては、同じステップ番号を付して説明を省略する。   The second two-phase heat flow analysis procedure is different from the first two-phase heat flow analysis procedure in the macro fluid calculation step (step S12), the first parameter conversion processing step (step S11), and the second It differs in that it further includes a parameter conversion processing step (step S13) and a calculation end determination step (step S14) instead of the calculation end determination step (step S4). Therefore, in the description of the second two-phase heat flow analysis procedure, the difference from the first two-phase heat flow analysis procedure described above will be mainly described, and the same processing steps will be described with the same step numbers. Omitted.

第2の二相熱流動解析手順は、沸騰計算領域32における二相の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を算出する沸騰計算領域解析工程(ステップS1〜ステップS3)と、マクロ流体計算領域33における二相の密度、粘度、熱伝導率、比熱などの物性値を算出するマクロ流体計算領域解析工程(ステップS12)と、沸騰計算領域解析工程とマクロ流体計算領域解析工程との間で相互にパラメータを変換するパラメータ変換工程(ステップS11,ステップS13)と、を具備する。また、第2の二相熱流動解析手順は、計算終了判定ステップ(ステップS14)を具備する。   The second two-phase heat flow analysis procedure includes a boiling calculation region analysis step (steps S1 to S3) for calculating physical property values such as density, viscosity, thermal conductivity, specific heat of the two phases in the boiling calculation region 32, macro A macro fluid calculation region analysis step (step S12) for calculating physical property values such as density, viscosity, thermal conductivity, and specific heat of the two phases in the fluid calculation region 33, a boiling calculation region analysis step, and a macro fluid calculation region analysis step. A parameter conversion step (step S11, step S13) for converting parameters between each other. Further, the second two-phase heat flow analysis procedure includes a calculation end determination step (step S14).

第2の二相熱流動解析手順の処理実行要求およびステップS1以降の計算で必要な初期パラメータの入力を受け付けると、処理手順の実行を開始し(START)、沸騰計算領域解析工程と、マクロ流体計算領域解析工程とが開始される。   When the processing execution request of the second two-phase heat flow analysis procedure and the input of the initial parameters necessary for the calculation after step S1 are received, the execution of the processing procedure is started (START), the boiling calculation region analysis step, the macro fluid The calculation domain analysis process is started.

沸騰計算領域解析工程では、流体算出ステップ(ステップS1)と、クォリティ算出ステップ(ステップS2)と、物性値算出ステップ(ステップS3)とが順次実行され、物性値算出ステップ(ステップS3)で入力に対して1タイムステップ後の物性値である密度、粘度、熱伝導率、比熱などが算出されると、沸騰計算領域解析工程は完了する。なお、流体算出ステップ(ステップS1)を実行するにあたっては、第2の変換処理部38が変換処理した沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界における二相流の流速、圧力およびエンタルピが、当該境界条件として流体計算部12に与えられる(図5に示されるB)。 In the boiling calculation region analysis step, a fluid calculation step (step S1), a quality calculation step (step S2), and a physical property value calculation step (step S3) are sequentially executed, and input in the physical property value calculation step (step S3). On the other hand, when the density, viscosity, thermal conductivity, specific heat and the like, which are physical property values after one time step, are calculated, the boiling calculation region analysis step is completed. In executing the fluid calculation step (step S1), the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow at the boundary between the boiling calculation region 32 and the macro fluid calculation region 33 converted by the second conversion processing unit 38 are determined. The boundary condition is given to the fluid calculation unit 12 (B shown in FIG. 5).

沸騰計算領域解析工程が完了すると、第1の変換処理部37がパラメータ変換工程を実行する。すなわち、第1の変換処理部37が、沸騰計算領域解析工程で算出されたパラメータをマクロ流体計算領域解析工程の実行に必要となるパラメータへ変換する第1のパラメータ変換処理ステップ(ステップS11)を実行する。   When the boiling calculation region analysis process is completed, the first conversion processing unit 37 executes the parameter conversion process. That is, a first parameter conversion processing step (step S11) is performed in which the first conversion processing unit 37 converts the parameter calculated in the boiling calculation region analysis step into a parameter necessary for execution of the macro fluid calculation region analysis step. Run.

第1のパラメータ変換処理ステップでは、第1の変換処理部37が変換処理情報39を参照して、沸騰計算領域32における流体の流速、圧力およびエンタルピを少なくとも含むパラメータを、マクロ流体計算領域33におけるマクロ流体計算を行うのに必要な流体の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を少なくとも含むパラメータに変換する。   In the first parameter conversion processing step, the first conversion processing unit 37 refers to the conversion processing information 39 to set parameters including at least the fluid flow velocity, pressure, and enthalpy in the boiling calculation region 32 in the macro fluid calculation region 33. The flow rate, pressure, enthalpy, and void fraction necessary for performing the macrofluidic calculation are converted into parameters including at least.

より詳細には、第1の変換処理部37が、物性値計算部14が算出する沸騰計算領域32における物性値と、例えば、密度とボイド率との関係を規定した式(4)の情報等の物性値とボイド率との関係を規定した情報を含む変換処理情報39を参照して、ボイド率を計算する。そして、第1の変換処理部37は、算出したボイド率を、沸騰計算領域解析工程で得られた沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界における二相流の流速、圧力およびエンタルピとともにマクロ流体計算部36へ与える。   More specifically, the first conversion processing unit 37 determines the physical property value in the boiling calculation region 32 calculated by the physical property value calculating unit 14, and information on the formula (4) that defines the relationship between the density and the void fraction, for example. The void ratio is calculated with reference to the conversion processing information 39 including information defining the relationship between the physical property value and the void ratio. Then, the first conversion processing unit 37 calculates the calculated void ratio together with the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow at the boundary between the boiling calculation region 32 and the macro fluid calculation region 33 obtained in the boiling calculation region analysis step. This is given to the macro fluid calculation unit 36.

第1のパラメータ変換処理ステップ(ステップS11)は、第1の変換処理部37が、沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界条件として、当該境界における二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率をマクロ流体計算部36へ与えると完了する。ステップS11が完了すると、ステップS14に進み、計算終了判定部15が計算終了判定ステップを実行する。   In the first parameter conversion processing step (step S11), the first conversion processing unit 37 sets the boundary conditions between the boiling calculation region 32 and the macrofluid calculation region 33 as the flow rate, pressure, enthalpy of the two-phase flow at the boundary. When the void ratio is given to the macro fluid calculation unit 36, the process is completed. If step S11 is completed, it will progress to step S14 and the calculation end determination part 15 will perform a calculation end determination step.

計算終了判定ステップ(ステップS14)では、計算終了判定部15が予め指定された計算終了条件を満足するか否かを判定し、満たすと判断した場合(ステップS14でYESの場合)、第2の二相熱流動解析手順は終了する(END)。   In the calculation end determination step (step S14), the calculation end determination unit 15 determines whether or not a predetermined calculation end condition is satisfied, and if it is determined to satisfy (if YES in step S14), the second The two-phase heat flow analysis procedure ends (END).

一方、計算終了判定部15が予め指定された計算終了条件を満たさないと判断した場合(ステップS14でNOの場合)、ステップS1およびステップS12に戻り(図5に示されるC)、ステップS1以降およびステップS12以降の処理ステップを繰り返す。すなわち、次の1タイムステップ後における沸騰計算領域解析工程(ステップS1〜ステップS3)およびマクロ流体計算領域解析工程(ステップS12)が実行される。   On the other hand, when the calculation end determination unit 15 determines that the predetermined calculation end condition is not satisfied (NO in step S14), the process returns to step S1 and step S12 (C shown in FIG. 5), and after step S1. And the process step after step S12 is repeated. That is, the boiling calculation region analysis step (step S1 to step S3) and the macro fluid calculation region analysis step (step S12) after the next one time step are executed.

マクロ流体計算領域解析工程では、マクロ流体計算部36がマクロ流体計算領域33を流動する流体についてマクロ流体計算して、当該流体の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率(気体体積率)を算出するマクロ流体算出ステップを実行する(ステップS12)。なお、マクロ流体計算するのに必要となるパラメータのうちボイド率(気体体積率)については、変換処理情報39に含まれる物性値とボイド率との関係を規定した情報に基づいて算出された値が使用される(図5に示されるA)。   In the macro fluid calculation region analysis step, the macro fluid calculation unit 36 performs macro fluid calculation on the fluid flowing in the macro fluid calculation region 33, and calculates the flow velocity, pressure, enthalpy and void ratio (gas volume ratio) of the fluid. A fluid calculation step is executed (step S12). Of the parameters required for calculating the macro fluid, the void ratio (gas volume ratio) is a value calculated based on information defining the relationship between the physical property value and the void ratio included in the conversion processing information 39. Is used (A shown in FIG. 5).

マクロ流体計算領域33を流動する流体の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率が算出されると、マクロ流体計算領域解析工程を完了する。マクロ流体計算領域解析工程が完了すると、第2の変換処理部38がパラメータ変換工程を実行する。すなわち、第2の変換処理部38が、マクロ流体計算領域解析工程で算出されたパラメータを沸騰計算領域解析工程の実行に必要となるパラメータへ変換する第2のパラメータ変換処理ステップ(ステップS13)を実行する。   When the flow velocity, pressure, enthalpy and void ratio of the fluid flowing in the macro fluid calculation area 33 are calculated, the macro fluid calculation area analysis process is completed. When the macro fluid calculation region analysis step is completed, the second conversion processing unit 38 executes the parameter conversion step. That is, the second conversion processing unit 38 performs a second parameter conversion processing step (step S13) in which the parameter calculated in the macro fluid calculation region analysis step is converted into a parameter necessary for execution of the boiling calculation region analysis step. Run.

第2のパラメータ変換処理ステップ(ステップS13)は、第2の変換処理部38が沸騰計算領域32とマクロ流体計算領域33との境界条件として、当該境界における二相流の流速、圧力およびエンタルピを流体計算部12に与えると完了する。ステップS13が完了すると、ステップS14に進み、計算終了判定部15が計算終了判定ステップを実行する。   In the second parameter conversion processing step (step S13), the second conversion processing unit 38 sets the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow at the boundary as boundary conditions between the boiling calculation region 32 and the macro fluid calculation region 33. When it is given to the fluid calculation unit 12, it is completed. When step S13 is completed, the process proceeds to step S14, and the calculation end determination unit 15 executes a calculation end determination step.

第2の二相熱流動解析装置10Bおよび第2の二相熱流動解析方法によれば、構成方程式を用いることなく沸騰熱伝達または凝縮熱伝達などの二相流現象を直接評価することができる。また、沸騰現象等の相変化現象が発生する壁面近傍の領域(沸騰計算領域32)は沸騰現象等の相変化現象を直接評価し、壁面から離れた領域(マクロ流体計算領域33)は二流体モデルによるマクロ流体計算を適用することにより、効率的に解析することができる。   According to the second two-phase heat flow analysis device 10B and the second two-phase heat flow analysis method, two-phase flow phenomena such as boiling heat transfer or condensation heat transfer can be directly evaluated without using a constitutive equation. . The region near the wall surface where the phase change phenomenon such as the boiling phenomenon occurs (boiling calculation region 32) directly evaluates the phase change phenomenon such as the boiling phenomenon, and the region away from the wall surface (macro fluid calculation region 33) is the two-fluid. By applying the macro fluid calculation by the model, it is possible to analyze efficiently.

以上、本発明の実施形態に係る二相熱流動の解析装置および解析方法によれば、水等の流体に対して、構成方程式や流動様式マップを用いずに、沸騰熱伝達または凝縮熱伝達などの二相流現象を直接評価することができる。また、加熱(冷却)壁面31から離れた領域をマクロ流体計算領域33と設定して二流体モデルによるマクロ流体計算を適用した実施形態では、より広範な領域を効率的に解析することができる。   As described above, according to the two-phase heat flow analysis device and analysis method according to the embodiment of the present invention, boiling heat transfer, condensation heat transfer, or the like, for a fluid such as water, without using a constitutive equation or a flow pattern map, etc. The two-phase flow phenomenon can be directly evaluated. Further, in the embodiment in which the macro fluid calculation based on the two-fluid model is applied by setting the area away from the heating (cooling) wall surface 31 as the macro fluid calculation area 33, a wider area can be efficiently analyzed.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行なうことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be implemented in various forms other than the above-described examples in the implementation stage, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. Can be omitted, added, replaced, or changed. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10A 第1の二相熱流動解析装置
10B 第2の二相熱流動解析装置
11 入力部
12 流体計算部
13 クォリティ計算部(質量流量分率計算部)
14 物性値計算部
15 計算終了判定部
16 表示部
21 クォリティ算出情報
22 物性値算出情報
31 加熱壁面(熱源領域)
32 沸騰計算領域(第1の領域)
33 マクロ流体計算領域(第2の領域)
36 マクロ流体計算部
37 第1の変換処理部
38 第2の変換処理部
39 変換処理情報
BL 計算領域境界
10A First two-phase heat flow analysis device 10B Second two-phase heat flow analysis device 11 Input unit 12 Fluid calculation unit 13 Quality calculation unit (mass flow rate fraction calculation unit)
14 Physical property value calculation unit 15 Calculation end determination unit 16 Display unit 21 Quality calculation information 22 Physical property value calculation information 31 Heating wall surface (heat source region)
32 Boiling calculation area (first area)
33 Macro fluid calculation area (second area)
36 Macro fluid calculation unit 37 First conversion processing unit 38 Second conversion processing unit 39 Conversion processing information BL Calculation region boundary

Claims (6)

流れ場を分割した複数の区画に対して、入力部から与えられた解析対象の形状データ、熱が出入する熱源領域の範囲、この熱源領域と他領域との境界条件、前記解析対象となる二相流の流速、圧力、エンタルピ並びに密度、粘度および熱伝導率を含む物性値の初期値を含む初期パラメータに基づき、前記二相流の流速、圧力およびエンタルピを計算する流体計算部と、
前記複数の区画に対して、前記流体計算部で算出された二相流の圧力およびエンタルピに基づいて、データ格納領域に格納した前記二相流の質量流量分率を算出する数式情報と、状態方程式の情報とを参照し、前記二相流の質量流量分率を算出する質量流量分率計算部と、
前記複数区画に対して、データ格納領域に格納した状態方程式の情報を参照し、前記二相流を構成する各相の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を得る一方、データ格納領域に格納した前記二相流の物性値を算出する数式情報を参照し、前記二相流を構成する各相の物性値および質量流量分率計算部が算出した前記二相流の質量流量分率に基づいて、前記二相流の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を計算する物性値計算部と、
前記流体計算部が算出した二相流の流速、圧力およびエンタルピと、予め設定された計算終了条件とに基づいて、前記計算終了条件を満足するか否かを判定する計算終了判定部と、
前記解析対象となる全領域を、前記熱源領域から所定範囲内に位置する第1の領域と、前記所定範囲外に位置する第2の領域とに分割し、前記流体計算部、質量流量分率計算部および物性値計算部が前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を算出するように構成される一方、
前記第2の領域における前記二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を計算するマクロ流体計算部と、
前記流体計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の流速、圧力およびエンタルピと、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報とに基づいて、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を前記二相流のボイド率へ変換して前記マクロ流体計算部へ与える第1の変換処理部と、
データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報を参照し、前記マクロ流体計算部が算出した前記二相流のボイド率を前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値へ変換して前記流体計算部へ与える第2の変換処理部と、を具備することを特徴とする二相熱流動解析装置。
For a plurality of sections into which the flow field is divided, the shape data of the analysis target given from the input unit, the range of the heat source region where heat enters and exits, the boundary condition between this heat source region and other regions, and the two analysis targets A fluid calculation unit for calculating the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow based on initial parameters including initial values of physical properties including phase flow velocity, pressure, enthalpy and density, viscosity, and thermal conductivity;
Formula information for calculating the mass flow rate fraction of the two-phase flow stored in the data storage area based on the pressure and enthalpy of the two-phase flow calculated by the fluid calculation unit for the plurality of sections, and the state A mass flow rate calculation unit for calculating the mass flow rate fraction of the two-phase flow with reference to the information of the equation;
For the plurality of sections, referring to the information of the state equation stored in the data storage area, the physical property values including the density, viscosity and thermal conductivity of each phase constituting the two-phase flow are obtained, while in the data storage area Referring to the mathematical formula information for calculating the physical property value of the two-phase flow stored, the physical property value of each phase constituting the two-phase flow and the mass flow rate fraction of the two-phase flow calculated by the mass flow rate calculation unit Based on the physical property value calculation unit for calculating physical property values including the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow,
A calculation end determination unit that determines whether or not the calculation end condition is satisfied based on the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow calculated by the fluid calculation unit, and a preset calculation end condition;
The entire region to be analyzed is divided into a first region located within a predetermined range from the heat source region and a second region located outside the predetermined range, and the fluid calculation unit, mass flow rate fraction While the calculation unit and the physical property value calculation unit are configured to calculate at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region,
A macrofluidic calculator that calculates the flow velocity, pressure, enthalpy and void fraction of the two-phase flow in the second region;
The flow rate, pressure and enthalpy of the two-phase flow in the first region calculated by the fluid calculation unit, and the density, viscosity and heat conduction of the two-phase flow in the first region calculated by the physical property value calculation unit. Stipulates the relationship between at least one physical property value of the rate and at least one of the physical property value of the two-phase flow stored in the data storage area and the void rate of the two-phase flow Based on the obtained information, the physical property value calculation unit calculates at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region to the void ratio of the two-phase flow. A first conversion processing unit that converts and gives the macrofluidic calculation unit;
Reference is made to information defining the relationship between at least one physical property value of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow stored in the data storage area and the void ratio of the two-phase flow, and the macro fluid calculation unit Converting the void fraction of the two-phase flow calculated into a physical property value of at least one of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow and giving the fluid calculation unit a second conversion processing unit; A two-phase heat flow analysis apparatus comprising:
前記二相流は、液相と気相とで構成される気液二相流であることを特徴とする請求項記載の二相熱流動解析装置。 The two-phase flow, two-phase heat flow analysis apparatus according to claim 1, characterized in that the gas-liquid two-phase flow composed of a liquid phase and a gas phase. 前記熱源領域は、前記解析対象となる二相流に外部から熱を受け取る加熱領域であることを特徴とする請求項1又は2記載の二相熱流動解析装置。 The two-phase heat flow analysis apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the heat source region is a heating region that receives heat from the outside in the two-phase flow to be analyzed. 前記二相流は、液相と固相とで構成される固液二相流であることを特徴とする請求項1又は2記載の二相熱流動解析装置。 The two-phase heat flow analysis apparatus according to claim 1 or 2 , wherein the two-phase flow is a solid-liquid two-phase flow composed of a liquid phase and a solid phase . 前記熱源領域は、前記解析対象となる二相流から熱を奪う冷却領域であることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の二相熱流動解析装置。 The two-phase heat flow analysis apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the heat source region is a cooling region that takes heat from the two-phase flow to be analyzed. コンピュータを用いて二相流の熱流動現象を予測する方法であり、
流体計算部が、流れ場を分割した複数の区画に対して、入力部から与えられた解析対象の形状データ、熱が出入する熱源領域の範囲、この熱源領域と他領域との境界条件、前記解析対象となる二相流の流速、圧力、エンタルピ並びに密度、粘度および熱伝導率を含む物性値の初期値を含む初期パラメータに基づき、前記二相流の流速、圧力およびエンタルピを計算する流体算出ステップと、
質量流量分率計算部が、前記複数の区画に対して、前記流体算出ステップで算出された二相流の圧力およびエンタルピに基づいて、データ格納領域に格納した前記二相流の質量流量分率を算出する数式情報と、状態方程式の情報とを参照し、前記二相流の質量流量分率を算出する質量流量分率算出ステップと、
物性値計算部が、前記複数区画に対して、データ格納領域に格納した状態方程式の情報を参照し、前記二相流を構成する各相の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を得る一方、データ格納領域に格納した前記二相流の物性値を算出する数式情報を参照し、前記二相流を構成する各相の物性値および質量流量分率算出ステップで算出された前記二相流の質量流量分率に基づいて、前記二相流の密度、粘度および熱伝導率を含む物性値を算出する物性値算出ステップと、を具備し、
前記解析対象となる全領域を、前記熱源領域から所定範囲内に位置する第1の領域と、前記所定範囲外に位置する第2の領域とに分割し、前記流体計算部、質量流量分率計算部および物性値計算部が前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を算出するように構成される一方、さらに、
マクロ流体計算部が、前記第2の領域における前記二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率を計算するマクロ流体算出ステップと、
第1の変換処理部が、前記流体計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の流速、圧力およびエンタルピと、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報とに基づいて、前記物性値計算部が計算する前記第1の領域における前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値を前記二相流のボイド率へ変換して前記マクロ流体計算部へ与える第1の変換処理ステップと、
第2の変換処理部が、データ格納領域に格納した前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値と前記二相流のボイド率との関係を規定した情報を参照し、前記マクロ流体計算部が算出した前記二相流のボイド率を前記二相流の密度、粘度および熱伝導率の少なくとも何れか一つの物性値へ変換して前記流体計算部へ与える第2の変換処理ステップと、
計算終了判定部が、前記流体算出ステップで算出された前記第1の領域における二相流の流速、圧力およびエンタルピと、前記マクロ流体算出ステップで算出された前記第2の領域における前記二相流の流速、圧力、エンタルピおよびボイド率と、予め設定された計算終了条件とに基づいて、前記計算終了条件を満足するか否かを判定する計算終了判定ステップとを具備することを特徴とする二相熱流動解析方法
It is a method to predict the heat flow phenomenon of two-phase flow using a computer,
The fluid calculation unit has, for a plurality of sections obtained by dividing the flow field, the shape data of the analysis target given from the input unit, the range of the heat source region where heat enters and exits, the boundary condition between this heat source region and other regions, Fluid calculation to calculate the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow based on the initial parameters including the flow velocity, pressure and enthalpy of the two-phase flow to be analyzed and the initial values of physical properties including density, viscosity and thermal conductivity Steps,
The mass flow rate fraction of the two-phase flow stored in the data storage area based on the pressure and enthalpy of the two-phase flow calculated in the fluid calculation step for the plurality of sections by the mass flow rate calculation unit A mass flow rate calculation step for calculating a mass flow rate fraction of the two-phase flow with reference to mathematical formula information for calculating the information and information on the state equation;
The physical property value calculation unit obtains physical property values including the density, viscosity, and thermal conductivity of each phase constituting the two-phase flow with reference to the state equation information stored in the data storage area for the plurality of sections. On the other hand, referring to the mathematical formula information for calculating the physical property value of the two-phase flow stored in the data storage area, the physical property value of each phase constituting the two-phase flow and the two-phase flow calculated in the mass flow rate calculation step A physical property value calculating step for calculating a physical property value including the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow based on the mass flow rate fraction of the flow,
The entire region to be analyzed is divided into a first region located within a predetermined range from the heat source region and a second region located outside the predetermined range, and the fluid calculation unit, mass flow rate fraction While the calculation unit and the physical property value calculation unit are configured to calculate at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region,
A macrofluid calculation step in which a macrofluid calculation unit calculates the flow velocity, pressure, enthalpy and void fraction of the two-phase flow in the second region;
The first conversion processing unit calculates the two-phase flow velocity, pressure, and enthalpy in the first region calculated by the fluid calculation unit, and the two-phase in the first region calculated by the physical property value calculation unit. At least one physical property value of flow density, viscosity, and thermal conductivity, and at least one physical property value of density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow stored in the data storage area and the two-phase flow On the basis of the information defining the relationship with the void ratio of at least one of the physical property value of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow in the first region calculated by the physical property value calculation unit. A first conversion processing step for converting into the void fraction of the two-phase flow and providing the macrofluidic calculation unit;
Information defining the relationship between at least one physical property value of the density, viscosity and thermal conductivity of the two-phase flow stored in the data storage area and the void ratio of the two-phase flow is stored in the data storage area. The void ratio of the two-phase flow calculated by the macro fluid calculation unit is converted into at least one physical property value of the density, viscosity, and thermal conductivity of the two-phase flow and is given to the fluid calculation unit. Two conversion processing steps;
The calculation end determination unit is configured to calculate the flow velocity, pressure, and enthalpy of the two-phase flow in the first region calculated in the fluid calculation step, and the two-phase flow in the second region calculated in the macro fluid calculation step. A calculation end determination step for determining whether or not the calculation end condition is satisfied based on a flow rate, a pressure, an enthalpy and a void ratio, and a preset calculation end condition. Phase heat flow analysis method .
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