流れの可視化と数値シミュレーションによる対流伝熱係数の異常低下現象の解明

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高炉炉下部におけるコークス-溶銑、コークス-スラグ間の対流伝熱係数が、充填層における固一液対流伝熱係数の推算式であるランツの式で与えられる値の1/10〜1/100であるとされている理由の1つをコークス粒子の形状が球状ではない為であると考えた。そこで、非球状粒子一流体間の対流伝熱係数におけるLevaの形状係数φ_Lの適用性について調査を行った。非球状粒子にはビオ数が小さく、形状係数を容易に変化できるアルミニウム円柱を用いた。円柱の直径と長さの比(以下D/Lと記す)が小さく、流れの向きと円柱の軸が平行である場合、ヌセルト数はランツの推算式により与えられるヌセルト数より小さな値を示した。 D/Lが小さく、流れの向きが円柱の軸と直交する場合には、ヌセルト数はランツの式とほぼ一致した。φ_Lおよび粒子の形状が同一であっても、粒子に対する流体が流れる向きの違いによりヌセルト数は大きく異なることがわかった。D/Lが1に近い場合は、粒子に対する流体の流れる方向の違いは明確ではなかった。D/Lが小さく円柱の軸と流れの向きが平行な場合にヌセルト数が小さくなったが、これは、表面積の大きな側面の対流伝熱への寄与が小さいためであることが分かった。軸と流れの向きが直交する場合は、円柱近傍の流動状況が球近傍のそれに比較的近いため、形状係数補正が有効であったと考えられる。D/Lが1に近くかつ軸と流れの方向が平行な場合は、円柱近傍の流れ・温度分布および局所ヌセルト数分布は異なるが、円柱試料と球状試料で平均ヌセルト数に明確な違いは見られなかった。