多孔質フィンを用いた乱流制御による革新的伝熱促進とその応用展開

利用多孔翅片湍流控制促进创新传热及其应用开发

• 批准号: 22K14180
• 负责人: 本木 慎吾
• 金额: $ 2.91万
• 依托单位: Osaka University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-22K14180/
• 关键词: 乱流輸送; 伝熱促進; 多孔質体; 流体力学; 伝熱工学; 乱流; 熱力学

多孔質フィンを用いた高効率な乱流伝熱促進手法の提案とそのメカニズムの解明を目的とし，数値シミュレーションおよび実験を行った．多孔質フィンを有する非圧縮チャネル乱流（圧力勾配によって駆動される平行平板間の乱流）の直接数値シミュレーションを実施することにより，比較的薄いフィン（平板間距離の1/20）を用いた場合においても，フィンを介した流動が自発的に生じることで壁面垂直方向に顕著な秩序を有する大規模な流れが発生し，熱輸送が運動量輸送に比して顕著に促進される非相似的伝熱促進が達成されることを確認した．また，正方形の細孔で構成される多孔質フィンについて空隙率依存性を調査した結果，非相似的伝熱促進の指標が最大となる最適な空隙率が存在することを見出した．さらに，流れ方向に一様なスリットで構成される単純なフィンにおいても同様に非相似的伝熱促進が達成し得ることを確認した．また，細孔とスリットのどちらにおいても２種類の大規模流動パターンが存在し得ることを明らかにした．数値シミュレーションによって得られた知見を基に実験装置の製作を試みた．実験装置は矩形流路（基本高さ20mm，基本幅300mm）で構成され，試験部にはシミュレーションと同様に，流れに平行な多孔質フィンがスパン方向に等間隔に配置される．様々なフィン性状を調査できるよう，フィンのみを容易に取り替えて試験を行うことが可能であり，フィンの厚みや間隔，流路のアスペクト比も変更可能である．予備実験として，数値シミュレーションにおいて非相似的伝熱促進が確認された性状に近い多孔質フィン（厚さ1mm，空隙率約30％）を用い，薄片状雲母粒子を用いた流れの可視化を実施した．その結果，多孔質フィンの導入により大規模な流動が生じることを実証した．

Porous フ ィ ン を with い た high working rate な turbulence 伝 hot gimmick の proposal と そ の メ カ ニ ズ ム の interpret を purpose と し, the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン お よ び be 験 を line っ た. Porous フ ィ ン を have す る non 圧 shrinkage チ ャ ネ ル turbulence (pressure hook with に よ っ て 駆 dynamic さ れ る parallel-plate の turbulence) の directly the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン を be applied す る こ と に よ り, comparison of thin い フ ィ ン (the distance between the tablet の 1/20) を with い た occasions に お い て も, フ ィ ン を interface し た flow が born from 発 に じ る こ と で wall vertical に 顕 を な order some す る mass flow な れ が 発 し, heat transfer が exercise than conveying に し て 顕 に advancement さ れ る than similar 伝 hot promote が achieve さ れ る こ と を confirm し た. ま た, square の pores で constitute さ れ る porous フ ィ ン に つ い て void fraction dependence を survey し た as a result, the similar 伝 hot promote の index が biggest と な る optimum な voids exist が す る こ と を shows し た. れ さ ら に, flow direction に others な ス リ ッ ト で constitute さ れ る 単 pure な フ ィ ン に お い て も with others に than similar 伝 hot promote が reach し る こ と を confirm し た. ま た, pores と ス リ ッ ト の ど ち ら に お い て も mass flow 2 kinds の パ タ ー ン が presence of し る こ と を Ming ら か に し た. The numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に よ っ て have ら れ た knowledge を base に be 験 device の try making を み た. Be 験 は rectangular flow (basic high さ 20 mm, 300 mm) で constitute さ れ, test department に は シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と with others に, flow れ に parallel な porous フ ィ ン が ス パ ン direction に spaced に configuration さ れ る. Others 々 な フ ィ を ン traits survey で き る よ う, フ ィ ン の み を に easily take り for え て test line を う こ と が may で あ り, フ ィ ン の thick み や interval, flow の ア ス ペ ク ト than も - are more likely to で あ る. Reserve be 験 と し て, the numerical シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に お い て than similar 伝 hot promote が confirm さ れ た traits に nearly い porous フ ィ ン (1 mm thick さ, gap rate at about 30%) を い, thin sheet mica particles を with い た flow れ の visualization を be applied し た. As a result, the porous フィ <e:1> <e:1> is introduced into によ large-scale な flowing が, which proves to be た.

项目成果

チャネル乱流へのスリット付きフィン導入による非相似的伝熱促進

通过在通道湍流中引入狭缝翅片来增强非相似传热

• 发表时间: 2022
• 作者: 脇 優一;本木 慎吾;河原 源太
• 通讯作者: 河原 源太

乱流熱伝達における究極状態

湍流传热的终极状态

• 发表时间: 2022
• 作者: OSADA Masayuki;MATSUSHITA Shintaro;SUEKANE Tetsuya;本木 慎吾
• 通讯作者: 本木 慎吾

乱流輸送に及ぼす壁面性状の影響

壁表面特性对湍流传输的影响

• 发表时间: 2023
• 作者: Hirotaka Maeyama;Soshi Kawai;前山大貴，河合宗司;本木 慎吾
• 通讯作者: 本木 慎吾