The ultimate state in turbulent heat transfer - mechanism and demonstration

壁面間の熱対流や剪断流における究極状態は，熱伝導に支配されるはずの壁面熱流束が熱伝導率に依存せず格段に大きな値をとる極めて特異な現象であり，半世紀以上にわたりその実現が世界各国で精力的に追及されてきたが，未だに究極状態は実現されていない．そこで，本研究では壁面間の熱対流，剪断流に対して直接数値シミュレーション（DNS）と実験の両面で究極状態達成に取り組んだ．熱対流に関しては，多孔性を付与した壁面間の熱対流乱流での究極状態をDNSおよび実験により追求した．DNSでは，多孔性を有する壁を埋込境界法により数値的に表現し，Boussinesq近似を適用したNavier-Stokes方程式，連続の式，エネルギー方程式を数値積分した．本DNSではオープンソースコードXcompact3dを適用した．実験では，多孔性を実装した金属製水平壁に挟まれた透明アクリル製容器内に満たした水中で熱対流を発生させた．下壁面の側面にシリコーンラバーヒーターを貼付して加熱し，上壁面には低温恒温槽（チラー）から冷却水を供給した．熱対流の温度と速度の計測には，現有の熱電対，感温液晶トレーサー，レーザー流速計および本研究費で購入した粒子画像流速計（PIV）とレーザー誘起蛍光装置を用いた．以上のDNSおよび実験のいずれでも究極状態の実現に成功した．剪断流に関しては，円管乱流に関する実験を実施した．円管流は，多孔性を実装した金属製円管で水流をポンプにより駆動することで発生させた．金属製円管外面にシリコーンラバーヒーターを貼付して加熱し，ポンプを介して低温恒温槽から管内に低温水を供給した後，恒温槽に戻して循環させた．円管の計測部のみ透明アクリル製である．剪断流の温度，圧力，速度の計測には，現有の熱電対，圧力センターおよび本研究費で購入したPIVを使用した．この円管乱流においても究極状態の実現に成功した．

壁面間の熱対流や剪断流における究極状態は，熱伝導に支配されるはずの壁面熱流束が熱伝導率に依存せず格段に大きな値をとる極めて特異な現象であり，半世紀以上にわたりその実現が世界各国で精力的に追及されてきたが，未だに究極状態は実現されていない．そこで，本研究では壁面間の熱対流，剪断流に対して直接数値シミュレーション（DNS）と実験の両面で究極状態達成に取り組んだ．熱対流に関しては，多孔性を付与した壁面間の熱対流乱流での究極状態をDNSおよび実験により追求した．DNSでは，多孔性を有する壁を埋込境界法により数値的に表現し，Boussinesq近似を適用したNavier-Stokes方程式，連続の式，エネルギー方程式を数値積分した．本DNSではオープンソースコードXcompact3dを適用した．実験では，多孔性を実装した金属製水平壁に挟まれた透明アクリル製容器内に満たした水中で熱対流を発生させた．下壁面の側面にシリコーンラバーヒーターを貼付して加熱し，上壁面には低温恒温槽（チラー）から冷却水を供給した．熱対流の温度と速度の計測には，現有の熱電対，感温液晶トレーサー，レーザー流速計および本研究費で購入した粒子画像流速計（PIV）とレーザー誘起蛍光装置を用いた．以上のDNSおよび実験のいずれでも究極状態の実現に成功した．剪断流に関しては，円管乱流に関する実験を実施した．円管流は，多孔性を実装した金属製円管で水流をポンプにより駆動することで発生させた．金属製円管外面にシリコーンラバーヒーターを貼付して加熱し，ポンプを介して低温恒温槽から管内に低温水を供給した後，恒温槽に戻して循環させた．円管の計測部のみ透明アクリル製である．剪断流の温度，圧力，速度の計測には，現有の熱電対，圧力センターおよび本研究費で購入したPIVを使用した．この円管乱流においても究極状態の実現に成功した．