マランゴニ対流の不安定性とその温度境界条件への感受性に関する研究

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本研究は、温度差を有するロッド間に形成される液柱に生じる温度差駆動の表面張力流(マランゴニ対流)を対象として、その熱対流不安定性を数値シミュレーションによって明らかにすることを目的とする。特に、気液界面での温度境界条件の影響に着目し、液柱内部の対流と周囲気体流動とを連成させた数値解析を実施することにより、実験的に明らかにされつつある表面張力流不安定性の温度境界条件への鋭敏な感受性を明らかにすることを目的とする。ロッド直径は5mm、ロッド間隔は2.5mm、作動流体は5cStのシリコーンオイルである。得られた研究成果は次の通りである。(1)数値解析方法の確立:有限体積法に基づく数値解析方法を採用し、計算格子依存性、自由流入流出境界条件の影響、物性値の温度依存性などを検討した。過去に行われた周囲気体流動の速度場・温度場の計測結果と比較することにより、数値解析結果の妥当性を確認した。(2)周囲気体流動が熱損失に与える影響の評価:周囲気体流動の影響を検討するため、仕切り板の有無と重力の有無を組み合わせた4つの条件について数値解析を実施し、液柱内部と周囲気体の速度場・温度場を明らかにすると共に、気液界面における熱移動(熱損失or熱入力)の大きさを定量化した。その結果、通常重力下で仕切り板によって周囲気体流動を抑制すると熱移動が減少し、微小重力下におけるそれとほぼ等しくなることを見出した。このことは仕切り板を用いた地上実験が微小重力実験の良いシミュレーションになることを意味する。(3)表面張力流不安定性の発現条件の実験的検討:仕切り板を設置した地上実験において表面張力流不安定性が発現するロッド間温度差を実験的に調べた。液柱体積比を0.8〜1.1の範囲で変化させてデータを取得した。その結果、仕切り板を設置することによって臨界温度差が上昇し、表面張力流が安定化することを明らかにした。