2021 Fiscal Year Annual Research Report
Effective heat transfer enhancement and the application using dissimilarity effect of localized turbulence
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20K14671
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| Research Institution | Tokyo University of Science |
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Principal Investigator |
福留 功二 東京理科大学, 工学部機械工学科, 嘱託助教 (70710698)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱流体力学 / 間欠流れ / 熱輸送 / 流体摩擦 / 非相似性 / 乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
近年のエネルギー問題の改善に向けて，工業的に広く使用されている熱交換器の性能向上は喫緊の課題である．熱交換器の改善には流れの熱伝達（熱輸送）を増加する必要があるが，熱伝達と流体摩擦抵抗（運動量拡散）に強い相似性があるため，熱伝達のみを増加させた非相似性を有する流れの実現は困難であった．これまでに，いくつかの非相似性を有する流れや非相似性を発生させる流れの制御手法も開発されているが，実用には向かないものが多い．本研究では，非相似性を実現する乱流（局在乱流）を新しく提案し，その効率的な熱輸送状態を示すメカニズムを明らかにすることを目的として研究を行った．
本研究において，非相似性を厳密に評価するために流れ場はシンプルな平面クエット流とし，スペクトル法による直接数値シミュレーションを実施する．初期場は層流のクエット流に下壁からジェットを模擬した攪乱を挿入して乱流スポットを発生させた．初期場において流れ方向速度と温度分布を相似にすることで，完全な相似性を有する流れからの発達を観察する．その結果，この乱流スポットの成長過程で大きな非相似性が得られることを確認した．
最終年度は，非相似性のメカニズム，高レイノルズ数における非相似性の調査，および初期攪乱の依存性について調査した．その結果，レイノルズ数と初期攪乱の依存性は小さく，乱流スポットの成長する過程で非相似性が発現し，効率的な熱輸送状態が実現されることを見出した．また，非相似性の発生メカニズムとして乱流構造の寄与を明らかにした．
研究期間全体を通して，乱流スポットの非相似性の発現とその発生メカニズムを解明し，熱交換器の性能を向上させる可能性を見出した．
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