衝突噴流熱伝達 — 回転系と沸騰を伴う最新応用

回転はコリオリ力と遠心浮力の2つの効果で衝突噴流の熱伝達に影響する。回転数 $Ro = \Omega D / u_j$ が0.1以上になるとNu数分布が非回転時と有意に異なってくる。圧力面側ではコリオリ力がジェットを壁面に押し付けてNu数が増加し、吸い込み面側では引き離してNu数が減少する。

回転座標系（Rotating Reference Frame / Moving Reference Frame）を使用する。FluentのFrame Motionまたはsliding mesh、STAR-CCM+のRotating Physics、OpenFOAMのSRFSimpleFoamなどで設定できる。回転座標系ではコリオリ力項と遠心力項がソース項として運動方程式に追加される。

沸騰衝突噴流はさらに複雑だ。核沸騰領域では気泡の生成と離脱が熱伝達を大幅に増強し、$h$ が単相の10倍以上になることもある。CHF（臨界熱流束）を超えると膜沸騰に遷移して伝熱が急激に悪化する。

VOF法やEulerian多相流モデルで気液界面を追跡し、蒸発・凝縮モデルを組合せることで近似的に解ける。FluentのEvaporation-Condensation ModelやSTAR-CCM+のBoiling ModelがLee modelベースの蒸発/凝縮を扱う。ただし気泡の核生成を直接解像するのは計算コストが膨大で、実務ではWall Boiling Model（RPI model）のような壁面沸騰モデルを使うのが現実的だよ。

IBMやIntelの研究グループが発表しているマイクロジェット冷却では、ノズル直径 $D = 50$〜$500$μm、$H/D = 2$〜$5$ の配列で1000 W/cm2超の除熱を目指している。CFDでは層流から乱流遷移が重要で、$Re_D = 500$〜$5000$ の範囲をカバーする。この領域ではTransition SSTモデルが有用だ。

シリコンチップ基板にTSV（Through-Silicon Via）を加工してジェットノズルとする「integrated microjet cooling」も研究されており、3D-IC（積層IC）の冷却ソリューションとして注目されている。このような微細構造のCFDでは、壁面粗さと滑り速度（slip velocity）の影響も検討が必要になるよ。