2020 Fiscal Year Research-status Report
チャネル脈動流でのディンプル面熱伝達促進の最適化によるフィルム冷却総合性能向上
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20K04321
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| Research Institution | Tokyo University of Agriculture and Technology |
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Principal Investigator |
村田 章 東京農工大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (60239522)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | フィルム冷却 / 脈動流 / 伝熱促進 / ガスタービン翼 / ディンプル / 非定常法 / 流れの可視化 / 多目的最適化 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
申請者のこれまでの研究成果からフィルム冷却流の脈動化は大規模渦放出周波数の非整数倍周波数の場合にフィルム冷却効率を向上させ，フィルム冷却総合性能（正味熱流束低減率, Net Heat Flux Reduction: NHFR）を向上させることが明らかになっている．一方，脈動化によるディンプル面の熱伝達率は定常冷却流とほぼ同一となり，十分な熱伝達促進が得られていない．そこで本研究では，ディンプル面のチャネル脈動流における最適化（脈動条件，形状）を実施し，その最適化結果をフィルム流へ適用することで正味熱流束低減率のさらなる向上を達成することを目的とする．
流路形状は実験と計算で同一である．ディンプル面形状は，面全体の回転（0-75度）で傾斜させ，配列（in-line, staggered, その中間）は斜め幅方向へディンプル位置をずらして作成する．初年度は，レイノルズ平均モデル(Reynolds Averaged Navier-Stokes: RANS)による片側ディンプル面チャネル流完全発達域での定常流と脈動流の計算を行った．より効率的に多目的最適化用データを計算するためにディンプル面の回転については計算格子を固定して，主流方向を変化させることで対応した．RANS計算と並行して非定常法伝熱計測を行い，ストローハル数0.33, 0.67（脈動１周期当たりの平均移流距離が流れ方向ディンプルピッチのそれぞれ3.0倍，1.5倍）の条件でヌセルト数はともに3-4%程度上昇することを確認した．ステレオPTV(Particle Tracking Velocimetry)計測については，結果処理プログラムの並列化を行い，位相平均値の収束に必要なより長いサンプル数を短い時間で計測・算出できるよう計測システムの見直しを行った．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
RANS計算では多目的最適化用の計算データをより効率的に計算するための格子生成方法の検討に時間がかかってしまった．そのため，RANS計算と並行して伝熱実験を行い，熱伝達促進が起きる脈動条件を伝熱実験で調査・確認した． また，PTV計測についてはより簡便に流れ場を調べるために，当初計画にはなかった伝熱実験用テストセクションにおける空気流での2成分PIV(Particle Image Velocimetry)計測実施可能性の検討を行った．しかし，脈動流への粒子追従性（オイルミスト直径，密度），レーザー照明強度，カメラのISO感度などの条件が揃わず，結局当初の計画通り作動流体を水としたPTV計測を行うこととした．さらに，PTV計測では３台目のカメラを導入して3成分PTVと同時に2成分PIVを行うことで，より簡便に脈動流速振幅とlip後流の大規模非定常渦の確認が行えるように計測システムの変更を行った．
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| Strategy for Future Research Activity |
初年度は，RANS計算でのディンプル面形状変更に対応した格子生成方法の検討に時間がかかってしまったが，ディンプル面回転については同一格子での計算が可能となり，ディンプル配列変更についてのみ格子生成を行うことで今後の計算準備時間は短縮される．伝熱実験は既に初年度に開始しており問題ない．PTV計測については空気流での計測可能性の検討を行ったためにチャネル流のテストセクション改修が遅れているが，既存の装置にテストセクション部を付け替えるだけなので，２年度目に遅れは取り戻せる．また，3成分PTVと同時に2成分PIVを行うことで，より簡便に脈動流速振幅とlip後流の大規模非定常渦の確認が行えるようになったので，実験条件設定にかかる時間の短縮につながる．
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| Causes of Carryover |
理由：以下の３点が理由である．コロナ禍で学会・講演会が中止またはオンライン開催となり，旅費がかからなかったこと．RANS計算による脈動・形状条件の最適化がやや遅れたために，伝熱実験でのディンプル面製作の一部が次年度に繰り越しになり，実験材料等消耗品の購入が少なかったこと．空気流での2成分PIV計測の実施可能性の検討と水流での3台目のカメラによる2成分PIVの導入に時間がかかり，PTV計測用テストセクションの改修が次年度に繰り越しになり，ここでも実験材料等消耗品の購入が少なかったこと．
使用計画：次年度の実験用材料等消耗品購入費として使用予定である．また，新型コロナの状況を見ながら，国際会議・国内学会での発表を行う際の参加登録費・旅費としても使用予定である．
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Research Products
(4 results)
