ダクト内乱流水流における乱流熱伝達維持機構への高分子の影響に関する実験的研究

1999 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 11650222
• Research Institution: Kyoto Institute of Technology
• Principal Investigator: 萩原 良道 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 教授 (50144332)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 田中 満 京都工芸繊維大学, 工芸学部, 助手 (20281115)
• Keywords: 乱流熱伝達 / 組織構造 / ダクト内乱流水流 / 維持機構 / 高分子塊 / 可視化実験 / 粒子追跡速度計測 / レーザー誘起蛍光温度計測

Research Abstract

管内乱流水流にある種の高分子を微量混入させることによって、流動抵抗および管外への熱漏洩が著しく減少することはすでに知られている。しかしながら、乱流や乱流熱伝達の維持機構に深く関連する組織構造とそのダイナミクスへの高分子の影響については、ほとんど研究がなされていない。そこで本研究では、高分子と組織構造中の低速ストリークや縦渦の可視化実験を行い、それらの相互作用について調べる。
本年度は、既存の実験装置のテストセクション部を改良したうえで、(1)縦渦の可視化には水素気泡、(2)低速ストリークの可視化には蛍光染料であるローダミンB水溶液、(3)水溶液中の絡まった高分子の可視化には蛍光絵具片、を用いた実験を行った。他者の類似の実験により(1)および(2)の可視化法の有効性は確認されているが、(3)の可視化法および3種類の方法の組み合わせは世界初であるので、さまざまに条件を変えて慎重に予備実験を行った。その結果、赤色蛍光絵具を粉末高分子に塗布したものを水に溶かすことにより絵具片は長時間にわたり絡まった高分子の塊に付着していたこと、カラー原画像では不鮮明な絵具片の蛍光が原画像から抽出した赤色信号において鮮明に捉えられること、したがって絵具片の画像と水蒸気泡の画像を分離できること、などを得た。
組織構造とそのダイナミクスを捉えために最低限必要な画像取込速度と観察領域を確保しつつ、かつ粒子追跡速度計測法により水素気泡と絵具片の速度を求められる分解能を確保できるように、カラーCCDビデオカメラを選定・購入して本実験を行った。実験の結果、近傍にある高分子塊により縦渦の発達が抑制され、縦渦が誘起する外向き流れと低速ストリークの持ち上がりが減衰することを明らかにした。また、複数の高分子塊により、比較的小規模の低速ストリークの持ち上がりが抑制されることも判明した。

Research Products

• [Publications] 今村太郎ほか3名: "水乱流中の高分子塊と低速ストリークおよび縦渦の同時可視化"第37回日本伝熱シンポジウム講演論文集. (2000)
• [Publications] Y.Hagiwara ほか3名: "Direct ineraction between highly-entangled polymers and small-scale coherent structures in a turbulent polymer-solution flow"Proc. 8th European Turbulence Conf.. (2000)
• [Publications] Y.Hagiwara ほか3名: "Numerical simulation of the interactions of highly entangled polymers with coherent structure in a turbulent channel flow"Turbulence and Shear Flow-1. 313-318 (1999)