微細多孔質構造の経時的気孔率変化と微細速度場の可視化

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多孔質体内の微視的非定常速度場をPIV計測法により定量的計測した。また、LES(ラージエディーシミュレーション)による乱流場の直接数値計算を実施した。これら結果を詳細に検討し、純流体場に比べ複雑でより低レイノルズ数域で乱流へと遷移する多孔質体内流動場の様式遷移を明らかにした。これまで光学的計測手法の導入が定性的計測にとどまっていた多孔質体内流動場計測に対し平面の同時定量計測が可能なPIVを導入した。PIV計測に対し、適当な構造体寸法を設定することで非定常挙動を詳細に検討できる実験データの取得が可能となることを明らかにした。構造体には人工多孔質体に見られる二次元構造体を用いた。気孔率による影響については、LESシミュレーションによる検討を実施した。計測とシミュレーションはよい一致を示し、計測の妥当性と多孔質体流動場の特異な非定常現象を明らかにした。本研究の対象であり工学上で問題となる多孔質体の気孔率変化は緩やかであり、一連の可視化実験およびシミュレーション結果の検討結果より十分な巨視的速度場の予測が可能である。一方、本研究を進めていく過程で微視的流動場の非定常性が、巨視的圧力場には顕著に影響を及ぼさないのに比べ、温度場、特に流れに垂直方向の見かけの熱伝導率増加(熱分散)に大きく寄与することが明らかになった。熱交換器などに用いられる人工多孔質体に対する温度予測について新たな重要な知見が得られた。乱流混合に比し重要となるこの熱分散の効果については本研究で得られた実験およびシミュレーションデータの更なる検討が必要である。