多孔質内混合拡散に関する研究

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高レイノルズ数域での多孔質流れ場の流動・熱伝達特性を解明するために,管群Hele-Shaw多孔質を用いた実験的検証を行い,多孔質乱流モデルの構築を試みた.1.実験においては,管群Hele-Shaw多孔質モデルにはスパン方向長さを著しく短くした管群(千鳥配列)ならびに作動流体には水を用い,高レイノルズ数域での内部流動状況の把握を試みた.測定に関しては,流量および流れ方向圧力降下の測定ならびにトレーサー流出法(色素)による可視化を行った.まず,高レイノルズ数域では,圧力損失が速度の2乗に比例することを確認するとともに,流れ場の流動状態は乱流であることを明らかにした.さらに,トレーサー色素を2種類組み合わせた可視化によって乱流渦の構造を調べた.これより,固体に囲まれる空隙全体にわたって微視的乱流渦(空隙渦)が発生しているとともに,固体廻りを迂回する巨視的流れに起因する剥離渦(疑似渦)による混合が認められ,このような2種類の渦混合が高レイノルズ数域での多孔質流れに特有のForchheimer抵抗ならびに分散に深く寄与することを明らかにした.2.以上の実験結果を踏まえて,高レイノルズ数域での多孔質流れ場を表現可能な乱流モデルを検討した.渦拡散係数のモデル化に際しては,空隙渦を内部流路代表スケールで,疑似渦を多孔質固体寸法スケールで評価し,渦拡散係数をこの2種類の特性長さスケールで定義される渦拡散係数の代数和で表すモデルを提案し運動量方程式ならびにエネルギ方程式を構築した.この乱流モデルより,空隙渦による運動量輸送効果がForchheimer抵抗として,疑似渦による熱輸送効果は熱分散として表されることを明らかにした.以上の実験および理論的検討より,高レイノルズ数域での多孔質流れにおける流動・熱伝達現象の素過程が明らかにされた.