2019 Fiscal Year Research-status Report
高ビオ数多孔質体へ適用する構造体内熱伝導性を加味した界面熱流束モデルの構築と評価
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18K13698
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
佐野 吉彦 静岡大学, 工学部, 准教授 (90720459)
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2018-04-01 – 2021-03-31
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| Keywords | 多孔質体 / 伝熱 / 高ビオ数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究の目的は，多孔質体の伝熱で広く採用される局所体積平均理論において，ビオ数が大きい（熱伝導率が小さい）場合には，伝熱量の見積もりができないことを問題提議とし，高ビオ数に適用できる多孔質体伝熱モデルを提案することである．そのために，熱透過係数を導入し，構造体内の熱伝導を加味することで，従来モデルで採用される空間平均温度差では表現できない，構造体表面からの伝熱量の見積もりを行っていく．さらに，本研究では，従来モデルと本モデルの伝熱予測精度を定量評価するだけでなく，ビオ数に基づいた熱透過係数のデータベースを作成していく．
2年度目を終えた大きな研究実績としては，局所体積平均理論の修正改善理論を導出したことである．具体的には，局所体積平均理論中の体積平均処理は単なる体積積分を使用するのではなく，まず流れの垂直成分で面積積分＆平均処理を行ったのちに，流れ方向で積分する必要があることが分かった．これは，多孔質体の伝熱実験と直接数値シミュレーションを同時並行で実施したとき，実験と数値シミュレーションから求めた体積熱伝達率に一定の誤差が生じることが分かり，その後，局所体積平均理論を一から精査することで，この修正改善理論に至った．この本理論は数値シミュレーションを駆使して伝熱構造体を設計する者にとって大きな発見であり，理論的に作成した伝熱構造体の信頼性を大きく向上させるであろう．この結果は，3年目の夏に学会発表する予定となっており，国際論文にも投稿する予定である．また，既に，この修正理論を活用して，高ビオ数を有する粒子充填層と正方格子の伝熱モデルを作成しており，今後，他の多孔質構造体でこの伝熱モデルの数を増やす予定である．
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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
２年目以降の申請当初の研究計画案では，実験および直接数値シミュレーションを通して，代表的な多孔質構造体についての高ビオ数下の伝熱モデルを提案することを予定しており，最終年度で，多孔質構造体の熱透過係数のデータベースを作成する予定である．既に，多孔質構造として最も一般的な粒子充填層と正方格子構造では伝熱モデルを作成しており，今後も構造体数を増やしていく予定である．
２年目に関しては，局所体積平均理論の修正改善理論の導出に力を注いだ．これは粒子充填層と正方格子構造体を使用した伝熱実験と直接数値シミュレーションを行ったときに，低ビオ数構造体でも，実験と数値シミュレーションから求めた体積熱伝達率に一定の誤差が生じることが判明したためであり，今後の高ビオ数多孔質体の伝熱モデルに影響を及ぼすと考え，その原因究明を行った．多孔質体理論を精査する共に，１年目に開発した直接数値シミュレーションを駆使して，誤差が生じる原因を探ったところ，これまでの理論では言及されていない，体積平均時の詳細な順序を発見した．この修正理論の構築に時間を要したが，修正理論を見つけたことで，高ビオ数を有する多孔質体の伝熱モデルの精度を向上させることに成功した．既に高ビオ数を有する粒子充填層と正方格子の伝熱モデルを作成しており，今後も着実に構造体数を増していく予定である．また，今後は，本研究で得られた結果を用いて，多孔質構造体の熱透過係数のデータベース，もしくは，多孔質構造体の統一的な伝熱モデルについても検討する予定である．これらのことより，本研究は概ね順調に進んでいると判断できる．
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| Strategy for Future Research Activity |
3年目の研究計画は，２年目以降に引き続き，実験および直接数値シミュレーションを介して，高ビオ数を有する多孔質体の伝熱モデルを構築していくことである．3年目が本研究の最終年度であり，本研究を申請した際の最終目標である多孔質構造体の熱透過係数のデータベース，もしくは，多孔質構造体の統一的な伝熱モデルについても検討する予定である．
3年目では，まず，未だ未検討の構造体が４種類あるため，これらの構造体を順次検討していく予定である．また，現在，熱透過係数はビオ数とフーリエ数の関数で関数付けをしており，さらに構造体因子における補正係数を導入しているが，この４種類の構造体の結果によっては，関数の代表寸法の取り方や指数係数の調整などを行う必要があると考えている．多孔質構造体の統一的な伝熱モデルの作成のために新たな構造体が必要な場合は，追加構造体を3Dプリンターで作成して，伝熱実験を行っていく予定である．
しかし，新型コロナウイルスのため，大学内における研究制限がかかっており，大学設備を要する実験に関しては，その実施スケジュールは不透明な状況であると言わざるを得ない．そこで，まずは在宅でも可能な数値シミュレーションをベースに研究を行い，新型コロナウイルスの収束後に実験を行っていくことで，なるべく研究に遅れが生じないように工夫する予定である．
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| Causes of Carryover |
3年目が最も実験を行う年となり，必要経費を次年度使用分から支出する必要があるため，3年目の実験に備えて，当研究室で保有する装置をなるべく使用するなど出費を抑えて研究を行ったため．
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