Detection and quantification of turbulent flow motion exchanging heat only

乱流は層流にくらべてはるかに大きな輸送効果を示す．そのため伝熱デバイスにおいて，運動量と熱の輸送が同時に促進され，高い熱伝達性能には大きな流動抵抗が伴うという問題がある．これに対処する非相似輸送現象は工学的に重要であり国内外で活発に研究されている．本研究の目的は乱流現象の中から，熱輸送のみの促進を実現するきっかけとなる乱流現象を特定することである，申請者はその一つとして「圧力によるレイノルズ応力あるいは乱流熱流束の非相似な消滅」があると仮説しており，実施期間中にそれらの抽出，発現機構解明，定量化を目指す．第一段階で平板間乱流の数値計算，第二段階で加熱円形噴流における速度・温度同時測定を実施する計画で，本年度は第一段階の数値計算が実施内容の主である．レイノルズ応力・乱流熱流束の消滅イベントは乱流秩序渦構造の周辺に局在する．そこで平板間乱流の数値計算では，人工的に乱流中に秩序渦構造を発生させた流れ場を計算した．これにより空間的に局在したレイノルズ応力・乱流熱流束の消滅イベントを数値再現することができた．そこで，それら消滅イベントの非相似性を定量化のため，レイノルズ応力消滅と乱流熱流束消滅の結合確率密度関数を評価した．ここで，レイノルズ応力消滅が乱流熱流束消滅よりも卓越していれば，熱輸送のみの促進を実現する工学的に魅力的な現象といえる．評価された結合確率密度関数から，そのような「工学的に魅力的な」非相似消滅イベントが全体の23%から29%を占めることが明らかになった（壁からの距離に依存．壁から遠いほど大きい値を示す）．以上の数値計算と並行して，第二段階での速度・温度同時測定のための実験装置構築も進めた．現有の噴流発生装置に，気流加熱装置を組み込んで乱流温度場を生成できるようにした．また冷線温度計回路を設計し試作した．

乱流は層流にくらべてはるかに大きな輸送効果を示す．そのため伝熱デバイスにおいて，運動量と熱の輸送が同時に促進され，高い熱伝達性能には大きな流動抵抗が伴うという問題がある．これに対処する非相似輸送現象は工学的に重要であり国内外で活発に研究されている．本研究の目的は乱流現象の中から，熱輸送のみの促進を実現するきっかけとなる乱流現象を特定することである，申請者はその一つとして「圧力によるレイノルズ応力あるいは乱流熱流束の非相似な消滅」があると仮説しており，実施期間中にそれらの抽出，発現機構解明，定量化を目指す．第一段階で平板間乱流の数値計算，第二段階で加熱円形噴流における速度・温度同時測定を実施する計画で，本年度は第一段階の数値計算が実施内容の主である．レイノルズ応力・乱流熱流束の消滅イベントは乱流秩序渦構造の周辺に局在する．そこで平板間乱流の数値計算では，人工的に乱流中に秩序渦構造を発生させた流れ場を計算した．これにより空間的に局在したレイノルズ応力・乱流熱流束の消滅イベントを数値再現することができた．そこで，それら消滅イベントの非相似性を定量化のため，レイノルズ応力消滅と乱流熱流束消滅の結合確率密度関数を評価した．ここで，レイノルズ応力消滅が乱流熱流束消滅よりも卓越していれば，熱輸送のみの促進を実現する工学的に魅力的な現象といえる．評価された結合確率密度関数から，そのような「工学的に魅力的な」非相似消滅イベントが全体の23%から29%を占めることが明らかになった（壁からの距離に依存．壁から遠いほど大きい値を示す）．以上の数値計算と並行して，第二段階での速度・温度同時測定のための実験装置構築も進めた．現有の噴流発生装置に，気流加熱装置を組み込んで乱流温度場を生成できるようにした．また冷線温度計回路を設計し試作した．