| Project/Area Number |
22K14180
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Review Section |
Basic Section 19010:Fluid engineering-related
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| Research Institution | Osaka University |
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Principal Investigator |
本木 慎吾 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 講師 (70824134)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | 乱流輸送 / 伝熱促進 / 多孔質体 / 流体力学 / 伝熱工学 / 乱流 / 熱力学 |
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| Outline of Research at the Start |
持続可能な社会に向けたエネルギーの有効利用の観点から，熱交換器のさらなる効率化が求められている．熱交換器における対流熱伝達の促進を目的とし様々な流体制御が提案されてきたが，多くの場合，それらは流動抵抗を増加させエネルギー損失の増大を招いてしまう．また，熱と運動量の輸送間に存在する相似性が乱流熱伝達の効率的な促進を困難なものにしている．本研究では，多孔質フィンを有する壁面せん断乱流の数値シミュレーションおよび実験により，エネルギー損失を低く抑えつつ熱伝達を顕著に促進させる非相似的伝熱促進を達成し，そのメカニズムを解明するとともに，熱交換器への応用実現性の高い革新的な乱流制御手法を提案する．
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| Outline of Annual Research Achievements |
昨年度に引き続き，多孔質フィンを用いた乱流伝熱促進手法の提案とメカニズムの解明を目的とし，数値シミュレーションおよび実験を実施した．
平行平板間ポアズイユ流（チャネル流）に対して多孔質フィンを導入した流れを直接数値シミュレーションにより調査した．数値計算手法について，昨年度に引き続き埋め込み境界法を用いた高次精度差分法による解析を実施するとともに，新たに非構造格子を用いたスペクトル要素法による解析も実施し，相互に検証を行った．スペクトル要素法を用いた場合においても，多孔質フィンを介した流動が誘起されることで大規模な対流構造が発生し，熱輸送が運動量輸送に比して顕著に促進される非相似的伝熱促進が達成されることを確認した．また，非多孔質フィンの場合には層流となる低レイノルズ数域においてさえも，フィンの多孔性により非相似的伝熱促進をもたらす大規模な流動が生じることを明らかにした．さらに多孔質フィンの配置について，これまでに調査を行ってきたチャネル壁面に対して垂直な配置だけでなく平行な配置も検討した．フィン配置の違いにより，特に低レイノルズ数における流れ構造と熱伝達特性に差異が見られたが，平行な配置の場合においても大規模対流構造が生じ非相似的伝熱促進が達成されることを確認した．
昨年度製作した実験装置を用い，チャネル流（矩形流路：高さ20mm, 幅300mm, アスペクト比15）に対する多孔質フィン導入の効果を検証した．多孔質フィン（厚さ1mm, 細孔径2mm, 空隙率0.3）はチャネル壁面に対して垂直に，スパン方向に20mmの等間隔で配置した．数値シミュレーション結果と同様に，低レイノルズ数域においてさえも大規模な流動が生じることを確認した．また，流れ方向のスリットで構成される多孔質フィン等の異なる性状のフィンの試作を行うとともに，今後の実証試験に向けた装置の改良を行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
チャネル流に対して多孔質フィンを導入した流れについて，２種類の計算手法を用いた直接数値シミュレーションにより，非相似的伝熱促進を達成する多孔質フィンの性状と配置を同定するとともに，低レイノルズ数域においてさえも多孔質フィンによる非相似的伝熱促進が期待できることを数値シミュレーションと実験の両面から実証することが出来たため．
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は，引き続き数値シミュレーションによる多孔質フィン性状・配置の乱流熱伝達に対する影響の調査を進めるとともに，実験においてレーザードップラー流速計と粒子画像流速計を用いた速度場計測，および熱伝達率の評価を実施する．数値シミュレーションと実験の両面から乱流熱伝達の詳細な解析を行い，その伝熱促進メカニズムを明らかにする．
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