ダイレクトシミュレーション法による表面波を伴う凝縮液膜流の解析

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表面波を伴いながら壁面を流下する凝縮液膜流においては、表面波によって熱伝達が促進されることが多くの実験的研究から良く知られている。表面波を伴わない層流液膜の場合はNusseltの理論により流動および熱伝達がほぼ正確に説明できる。しかし、表面波が発生した場合については、表面波の挙動が非線型的であること、液膜の厚さが1mm以下と非常に薄いために流れ場や温度場の測定が非常に困難であることなどの理由から、波の発生から成長のメカニズム、また波による液膜内の流れへの影響や熱伝達促進のメカニズムなどは解析的にも実験的にも解明できないままである。数値計算を用いて液膜流表面波の挙動と液膜内の流れ場を解析しようとする研究はいくつかあるが、気液界面条件の取扱い方法に関しては十分な検討がなされていない。また、温度場の解析や熱伝達特性の検討を行った研究は報告されていない。本研究では、物理空間に固定した計算格子上で基礎式および境界条件を離散化して計算を行う場合に関して、気液界面条件の新しい計算スキームを提案し、その妥当性を検討するとともに、他の研究者によって測定された結果との比較を行い、定性的にも定量的にも良く一致することを示した。また、計算結果から以下のことを明らかにした。表面波は、擾乱周波数が小さい場合にはロールウェーブとキャピラリーウェーブからなる構造の波に成長し、ロールウェーブ中には大きな循環流が発生する。擾乱周波数が小さい場合には隣接した波の相互干渉により、波形が複雑に変形し、キャピラリーウェーブは観察されない。液膜内の温度場は、液膜厚さの変動と液膜内の対流の影響で歪み、層流液膜とは異なった特性を示す。また、その影響はプラントル数が大きい場合に大きくなる。表面波による熱伝達促進には液膜厚さの変動と対流の両方の効果が影響しており、いずれが支配的であるかはプラントル数の値に依存する。