粗さ壁面の乱流熱伝達の革新的予測モデルの開発と伝熱制御に関する新展開

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本年度は，正弦波粗面の乱流熱伝達を対象として，格子ボルツマン法による直接数値解析を行い，粗面の表面積が乱流熱伝達に与える影響を調査した．具体的には，3次元の等方・非等方の正弦波粗面を対象に，粗面の表面積とレイノルズ数を系統的に変化させて解析を実施し，速度粗さ関数，温度粗さ関数，レイノルズアナロジファクタ，乱流量分布のスケーリングに関する議論を行った．その結果，温度粗さ関数は粗さレイノルズ数以外に，粗面の表面積の影響を強く受けることが確認された．粗面の表面積が増加すると，同じ摩擦レイノルズ数条件であっても，温度粗さ関数が大きな値をとることが確認された．そこで，従来の温度粗さ関数の予測式に，表面積に関する粗さパラメータを導入することで，温度粗さ関数の予測式の精度を向上させることができることを明らかにした．また，粗面の壁面摩擦係数とスタントン数との比で表されるレイノルズアナロジファクタは，表面積が大きな粗面で大きくなることが分った．つまり，表面積の大きな粗面は少ない流動抵抗増で高い熱伝達性能を有することが明らかになった．また，本年度は昨年度に作成した風洞装置を用いて，壁面の乱流熱伝達計測実験の精度検証を進めた．具体的には，過去の実験や数値解析データが豊富な平滑面を対象として，平滑面の乱流熱伝達計測実験を行った．風洞装置には薄膜ニクロムメッキと温度に応じて発光強度が変化する感温性塗料を塗布した滑面を挿入し，等熱流束された加熱滑面の表面温度の計測を行った．感温性塗料が塗布された面に，青色光を照射し，塗料面をカメラで撮影した．撮影画像を処理することによって発光強度を取得し，発光強度分布から温度分布へと変換した．計測結果は既往の文献式とよく対応することが確認され，おおむね妥当な結果が得られることが確認された．しかし，文献との平均誤差は10％程度あり，精度に関しては課題が残された．