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

粗糙壁湍流传热创新预测模型的开发以及传热控制的新进展

• 批准号: 21H01266
• 负责人: 桑田 祐丞
• 金额: $ 10.9万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka Prefecture University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01266/
• 关键词: 乱流熱伝達; 粗面乱流; 格子ボルツマン法; 感温性塗料; 直接数値解析; 乱流; 数値流体力学; 対流; 伝熱機器

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．

This year, the surface area of sine wave coarse surface is investigated for the influence of turbulent heat transfer on the surface area of coarse surface. Specifically, the three-dimensional isobaric and non-isobaric sine wave rough surface image, the rough surface area, the number of particles, the system's transformation analysis, the implementation of the velocity coarse correlation, the temperature coarse correlation, the flow rate distribution, the flow rate distribution, the flow rate As a result, the influence of temperature on the surface area of the rough surface is strongly influenced by the temperature. The surface area of the rough surface increases, and the friction coefficient increases. The accuracy of the prediction formula of the temperature rough correlation coefficient is higher than that of the surface area. The coefficient of friction of the rough surface of the wall is the ratio of the coefficient of friction of the rough surface to the coefficient of friction of the rough surface. The surface area is large, the roughness is small, the flow resistance is high, and the heat transfer performance is high. This year, the wind tunnel device was built and used to improve the accuracy of wall turbulence measurement. In particular, in the past, the numerical analysis of smooth surfaces was carried out. Wind tunnel device for thin film temperature measurement, light intensity measurement, temperature sensitive coating coating, surface temperature measurement, isothermal beam heating, sliding surface temperature measurement Temperature sensitive paint coating surface, cyan light irradiation, paint surface, color change. The light intensity distribution and temperature distribution are obtained by image processing. The results of the calculation are consistent with those of the previous literature. The average error of the literature is less than 10%, and the accuracy is related to the problem.

项目成果

Effect of the surface morphology on rough wall turbulence

表面形态对粗糙壁湍流的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Yoshiki Yamamoto;Shinya Tabata;Yusuke Kuwata;Kazuhiko Suga
• 通讯作者: Kazuhiko Suga

波長の異なる三次元正弦波粗面の乱流熱伝達スケーリングに関する直接数値解析

不同波长三维正弦粗糙表面湍流传热结垢直接数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 矢ヶ崎 航;名倉 梨花;桑田 祐丞;須賀 一彦
• 通讯作者: 須賀 一彦

Dissimilar turbulent heat transfer enhancement by Kelvin-Helmholtz rollers over high-aspect-ratio longitudinal ribs

通过开尔文-亥姆霍兹滚子在高纵横比纵向肋上增强异种湍流传热

• DOI: 10.1017/jfm.2022.915
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Fluid Mechanics
• 影响因子: 3.7
• 作者: Kohei Aono;Manabu Aoyagi;Chihiro Inoue;Y. Kuwata
• 通讯作者: Y. Kuwata

Scaling of the roughness effects in turbulent flows over systematically-varied irregular rough surfaces

• DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109130
• 发表时间: 2023-06
• 期刊: International Journal of Heat and Fluid Flow
• 影响因子: 2.6
• 作者: Y. Kuwata;Y. Yamamoto;S. Tabata;K. Suga

Reynolds number dependence of turbulent heat transfer over irregular rough surfaces

不规则粗糙表面上湍流传热的雷诺数依赖性

• DOI: 10.1063/5.0090062
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physics of Fluids
• 影响因子: 4.6
• 作者: Taro Kimura;Chihiro Inoue;Y. Kuwata
• 通讯作者: Y. Kuwata