マイクロスケール熱流動科学の数値解析的研究

本研究は将来のマイクロ熱交換器を念頭におき,流れがすべり流となるようなマイクロスケールにおける熱流動場について数値解析的手法を用いて検討し,マイクロ熱流動現象の基礎的知見を得ることを目的としている.前年度には支配方程式に境界層近似を施すことで得られる放物型偏微分方程式を数値的に解く計算プログラムを作成したが,本年度にはこれをさらに改良し,マイクロスケール流れにおける粘性消散の影響について検討した.その結果,マイクロスケールでは,流れが層流となるような充分に低いレイノルズ数域であっても流速は大きいため,壁面近傍における速度勾配が非常に大きくなることから,粘性消散の影響により断面内の温度分布が非一様となることがわかった.またやはり前年度に作成した,境界層近似を施さず支配方程式の楕円型微分方程式を数値的に解く計算プログラムを利用し,マイクロスケールノズルを対象に,これまで検討された例が少ないマイクロスケール流路の入口効果についての検討を行った.その結果,ノズル入口部において流体の加速と流れのはく離によって大きな圧力損失が生じ,それに付随して流体温度もこの位置で急激に低下することなどがわかった.さらに差分法による直接数値解析(DNS)プログラムを用いて壁面にすべり境界条件を課したチャネル乱流の計算を行った.この計算では,流路の代表長さが数ミリ程度でありその意味ではマイクロスケール流れとは呼べないものの,壁面の表面粗さを代表長さとするクヌッセン数が大きいような場合を想定している.このような場合の壁面境界条件についての確固とした知見は得られていないが,本計算ではそのモデルとしてすべり境界条件を適用したものである.その結果,壁面すべり速度が大きくなると,壁面近傍における主流方向とスパン方向の乱れ強さはともに大きくなることなどがわかった.

本研究は将来のマイクロ熱交換器を念頭におき,流れがすべり流となるようなマイクロスケールにおける熱流動場について数値解析的手法を用いて検討し,マイクロ熱流動現象の基礎的知見を得ることを目的としている.前年度には支配方程式に境界層近似を施すことで得られる放物型偏微分方程式を数値的に解く計算プログラムを作成したが,本年度にはこれをさらに改良し,マイクロスケール流れにおける粘性消散の影響について検討した.その結果,マイクロスケールでは,流れが層流となるような充分に低いレイノルズ数域であっても流速は大きいため,壁面近傍における速度勾配が非常に大きくなることから,粘性消散の影響により断面内の温度分布が非一様となることがわかった.またやはり前年度に作成した,境界層近似を施さず支配方程式の楕円型微分方程式を数値的に解く計算プログラムを利用し,マイクロスケールノズルを対象に,これまで検討された例が少ないマイクロスケール流路の入口効果についての検討を行った.その結果,ノズル入口部において流体の加速と流れのはく離によって大きな圧力損失が生じ,それに付随して流体温度もこの位置で急激に低下することなどがわかった.さらに差分法による直接数値解析(DNS)プログラムを用いて壁面にすべり境界条件を課したチャネル乱流の計算を行った.この計算では,流路の代表長さが数ミリ程度でありその意味ではマイクロスケール流れとは呼べないものの,壁面の表面粗さを代表長さとするクヌッセン数が大きいような場合を想定している.このような場合の壁面境界条件についての確固とした知見は得られていないが,本計算ではそのモデルとしてすべり境界条件を適用したものである.その結果,壁面すべり速度が大きくなると,壁面近傍における主流方向とスパン方向の乱れ強さはともに大きくなることなどがわかった.