流れの不安定現象を利用する高性能伝熱面の開発に関する基礎研究

一般に熱交換器の設計や作動条件の設定において、伝熱量の増大にはレイノルズ数を高くするのが得策であるのに対し、流体の持つ熱の回収率を向上させるには、スタントン数を大きくするためにレイノルズ数の低下を計ることが有利である。とくに熱回収用の熱交換器では、両者のバランスを考慮することが必要であり、中間レイノルズ数を選択し、かつ伝熱促進を計ることが望ましいと考えられる。本研究では、中間レイノルズ数域で使用する高性能伝熱面の開発を目指して、後流の蛇行や渦列の形成といった流れの不安定現象を積極的に利用することの可能性について、対象をオフセットフィン型熱交換器に絞って検討を行った。まず、鉛直縦型風洞に5段オフセットフィン列2次元モデルを挿入して行った伝熱実験の結果、以下のような知見を得た。1.流れが至るところ層流にとどまる低レイノルズ数域では、フィン厚さを変えても、フィンの伝熱特性は変化しない。2.中間レイノルズ数域では、フィンが厚いほうが熱伝達率が高くなる。その原因は、不安定化した後流が下流段フィンの温度境界層をかく乱することにあると推定される。3.1、2段目フィンを厚くし、3〜5段目を薄くすることにより、下流側フィンの熱伝達の向上を得た。このことは、圧力損失の増大を抑えつつ、熱伝達を促進する可能性があることを示唆する。4.系全体の伝熱特性は低レイルノズ数域では段数を増すと減少するが、中間レイノルズ数域では反対に段数を増すと全体の熱伝達が向上する場合がある。さらに、フィン厚さを考慮し、オフセットフィン列の流れと熱伝達に関する基礎方程式を差文化して解く数値解析手法を開発した。この手法を用いて、まず低レイノルズ数域の定常状態に関する数値解析を行った結果、フィンが厚いほど圧力損失が増大すること、上で述べた低レイノルズ数域でフィン厚さが電熱特性に影響しないことなどが予測できた。

一般に熱交換器の設計や作動条件の設定において、伝熱量の増大にはレイノルズ数を高くするのが得策であるのに対し、流体の持つ熱の回収率を向上させるには、スタントン数を大きくするためにレイノルズ数の低下を計ることが有利である。とくに熱回収用の熱交換器では、両者のバランスを考慮することが必要であり、中間レイノルズ数を選択し、かつ伝熱促進を計ることが望ましいと考えられる。本研究では、中間レイノルズ数域で使用する高性能伝熱面の開発を目指して、後流の蛇行や渦列の形成といった流れの不安定現象を積極的に利用することの可能性について、対象をオフセットフィン型熱交換器に絞って検討を行った。まず、鉛直縦型風洞に5段オフセットフィン列2次元モデルを挿入して行った伝熱実験の結果、以下のような知見を得た。1.流れが至るところ層流にとどまる低レイノルズ数域では、フィン厚さを変えても、フィンの伝熱特性は変化しない。2.中間レイノルズ数域では、フィンが厚いほうが熱伝達率が高くなる。その原因は、不安定化した後流が下流段フィンの温度境界層をかく乱することにあると推定される。3.1、2段目フィンを厚くし、3〜5段目を薄くすることにより、下流側フィンの熱伝達の向上を得た。このことは、圧力損失の増大を抑えつつ、熱伝達を促進する可能性があることを示唆する。4.系全体の伝熱特性は低レイルノズ数域では段数を増すと減少するが、中間レイノルズ数域では反対に段数を増すと全体の熱伝達が向上する場合がある。さらに、フィン厚さを考慮し、オフセットフィン列の流れと熱伝達に関する基礎方程式を差文化して解く数値解析手法を開発した。この手法を用いて、まず低レイノルズ数域の定常状態に関する数値解析を行った結果、フィンが厚いほど圧力損失が増大すること、上で述べた低レイノルズ数域でフィン厚さが電熱特性に影響しないことなどが予測できた。