二次流れを伴う粗面流路内熱伝達における乱流熱流束の測定と伝熱促進機構の解明

本研究の目的は、粗面をもつ非円形流路内の乱流熱流束分布を測定し、粗面流路の伝熱促進機構に及ぼす第2種二次流れ及び粗面壁による乱流促進の影響を明らかにすることであった。測定流路には従来本研究室で使用している等温壁面加熱が可能な正方形流路を用い、その1面をリブ状の粗面として実験を行った。とくに、流路内の乱流熱輸送に重要な寄与を及ぼす加熱面に垂直方向の乱流熱流束に注目して、その断面内分布を明らかにした。測定にはX形熱線プローブとI形抵抗線温度計を組み合わせた3線プローブを用い、それらからの信号をコンピュータにより相互補償して瞬時の速度と温度に分離した。さらに鏡像の関係にある2種類のX形プローブを使用することにより、速度勾配の悪影響を除去し、高精度の測定データを得ることができた。1面粗面流路においては、 粗面壁に対向する滑面壁側の領域では、流路断面内の乱流熱流束分布は第2種二次流れの影響を受け、非円形流路に特有の異符号閉領域が発生すること、また、この異符号領域は二次流れによる平均温度場の歪みにより説明できることを明らかにした。一方、粗面壁近傍の領域では、粗面の効果により乱流熱流束は極めて高い値をとることを明らかにした。また、乱れによる運動量の輸送と熱輸送の非相似性に起因して、平均温度分布と平均速度分布の間にも強い非相似性が現れることを見いだした。そして、これらの非相似性の発生原因が、乱流熱流束と乱流せん断応力の生成機構の違いより説明できることを各輸送方程式に基づいて証明した。さらに測定データより乱流プラントル数の分布を求め、従来数値解析で用いられる乱流プラントル数一定の仮定が、本研究のような複雑乱流場の乱流伝熱に対しては必ずしも成立しないことを明らかにした。

本研究の目的は、粗面をもつ非円形流路内の乱流熱流束分布を測定し、粗面流路の伝熱促進機構に及ぼす第2種二次流れ及び粗面壁による乱流促進の影響を明らかにすることであった。測定流路には従来本研究室で使用している等温壁面加熱が可能な正方形流路を用い、その1面をリブ状の粗面として実験を行った。とくに、流路内の乱流熱輸送に重要な寄与を及ぼす加熱面に垂直方向の乱流熱流束に注目して、その断面内分布を明らかにした。測定にはX形熱線プローブとI形抵抗線温度計を組み合わせた3線プローブを用い、それらからの信号をコンピュータにより相互補償して瞬時の速度と温度に分離した。さらに鏡像の関係にある2種類のX形プローブを使用することにより、速度勾配の悪影響を除去し、高精度の測定データを得ることができた。1面粗面流路においては、 粗面壁に対向する滑面壁側の領域では、流路断面内の乱流熱流束分布は第2種二次流れの影響を受け、非円形流路に特有の異符号閉領域が発生すること、また、この異符号領域は二次流れによる平均温度場の歪みにより説明できることを明らかにした。一方、粗面壁近傍の領域では、粗面の効果により乱流熱流束は極めて高い値をとることを明らかにした。また、乱れによる運動量の輸送と熱輸送の非相似性に起因して、平均温度分布と平均速度分布の間にも強い非相似性が現れることを見いだした。そして、これらの非相似性の発生原因が、乱流熱流束と乱流せん断応力の生成機構の違いより説明できることを各輸送方程式に基づいて証明した。さらに測定データより乱流プラントル数の分布を求め、従来数値解析で用いられる乱流プラントル数一定の仮定が、本研究のような複雑乱流場の乱流伝熱に対しては必ずしも成立しないことを明らかにした。