自然対流連成熱伝達問題に関する研究

1996 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 08650247
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Research Institution: Kanazawa University
• Principal Investigator: 木村 繁男 金沢大学, 工学部, 教授 (70272953)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 木綿 隆弘 金沢大学, 工学部, 助手 (40225107) ; 上野 久儀 金沢大学, 工学部, 教授 (80019752) ; 岡島 厚 金沢大学, 自然科学研究科, 教授 (80013689)
• Keywords: 熱伝達 / 自然対流 / 連成熱伝達 / 非定常流 / レイリー数 / ネッセル数 / 数値解析 / 流れの可視化

Research Abstract

自然対流については、これまで多くの研究がなされてきた。その中で最も基礎的なものの一つに良く知られている加熱鉛直平板からの自然対流熱伝達問題がある。ここでは,加熱物体(例えば鉛直平板)が不完全熱伝導体(加熱物体の熱伝導率が流体のそれにくらべ無限に大きくない)である場合の自然対流熱伝達に着目した。特に今回は鉛直加熱平板の一方が一定温度で加熱され、他方が一様な温度の流体に接している場合について理論的かつ実験的に検討した。まず、加熱平板と流体が加熱平板に接する部分に薄い温度境界層を仮定して、一次元近似に基づく加熱平板の流体側表面温度を未知数とする5次の代数方程式を導いた。この5次方程式は、平板の幾何学的アスペクト比、平板の流体に対する相対的熱伝導率比、加熱温度と流体温度の差で定義される見かけ上のレイリー数から作られる唯一の無次元パラメータを有している。すなわち自然対流連成熱伝達問題の平均の熱伝達率は、この単一無次元パラメータにより支配されていることが明らかになった。さらに水槽の側面に銅、ステンレス、セラミックの加熱平板を取り付けて、一方の面を等温加熱して平均熱伝達率を測定した。実験的に求められた平均熱伝達率を一次元近似から求められた平均熱伝達率と比較した結果、良い一致が得られ、理論予測値の妥当性が検証された。水槽内の温度分布は加熱平板下端より上方の部分では温度成層しており、それより下方の部分ではほぼ一様温度となっていた。また加熱平板に沿って強い上昇流が見られるが、その他のところでは密度成層化にともない水平方向に弱い二次流れが見られた。しかし、このよう温度成層化とそれに伴う複雑な二次流れは平均熱伝達には顕著な影響を与えなかった。

Research Products

• [Publications] 木村繁男: "飽和多孔質に面した鉛直平板に沿う不安定自然対流" 日本機械学会流体工学部門講演会論文集. No.96-9. 335-336 (1996)
• [Publications] 木村繁男: "鉛直加熱平板からの連成自然対流熱伝達" 日本機械学会第74期全国大会講演会論文集. No.96-15,Vol.III. 171-172 (1996)
• [Publications] Shigeo KIMURA: "Conjugate Natural Convection due to a Vertical Heated Plate" JSME Centennial Grand Congress International Conference on Fluid Engineering,Tpkyo. (1997)