2022 Fiscal Year Research-status Report
Heat transfer mechanisms across high-concentrated form layer generated by strong wind shear above water surface
Project/Area Number |
21K03881
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Research Institution | University of Hyogo |
Principal Investigator |
高垣 直尚 兵庫県立大学, 工学研究科, 准教授 (00554221)
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Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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Keywords | 熱輸送 / 気泡層 / 乱流輸送 |
Outline of Annual Research Achievements |
台風など熱帯低気圧下における高速気流場の海表面近傍は,液滴の飛散や気泡の巻き込みなどの激しい砕波を伴う複雑な気液二相乱流場を呈し,特に海表面は,気泡同士が連続的にくっついて層を成す,いわゆる気泡層に完全に覆われることが報告されている.また,このような気泡層を伴う気液界面を通しての伝熱現象は自然界や工業装置内でしばしば見受けられる.そこで本研究では,高速気流による超高密度気泡層の生成機構・気泡層を通しての熱輸送機構を解明することを目的とする.2022年度は主に,(1)多数の気泡を含む低風速における風波乱流場を再現可能な数値計算法のコードの開発を行った.水面を伴う乱流場を計算するために混相流計算法の1つであるVOF法を使用した.水面形状の高精度な追跡のために,PLIC法を用いた.その結果,気泡が風波水面に衝突し破砕する際に気流の発達を抑制する現象が観察された.2023年度にはさらに気泡数を増やした状況での風波乱流場計算を行い,さらに気泡層が気液間運動量・熱輸送に及ぼす影響を定性的に調査する予定である.(2)兵庫県立大学において,気泡層実験のための小型風波水槽の改良と初期検討を行った.その結果,水槽内での不自然な水面振動を抑制し,さらに水槽内での水流による気泡生成を確認した. 2023年度には気泡層実験において気液間運動量・熱フラックスの測定を試みる予定である.これらの研究実績の一部は,国内学会において報告された.
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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
2022年度は主に,(1)多数の気泡を含む低風速における風波乱流場を再現可能な数値計算法のコードの開発を行った.水面を伴う乱流場を計算するために混相流計算法の1つであるVOF法を使用した.水面形状の高精度な追跡のために,PLIC法を用いた.計算においては,気泡が存在しない風波乱流場・気泡が1つ初期配置された風波乱流場・複数気泡が初期配置された風波乱流場の3条件について計算を行った.その結果,気泡が風波水面に衝突し破砕する際に気流の発達を抑制する現象が観察された.また,(2)兵庫県立大学において,気泡層実験のための小型風波水槽の改良と初期検討を行った.具体的には,風シア無しの状態において不自然な水面振動が発生するという問題があったため,水槽両端に消波装置を設置した.また,海洋で一般的に観察されるうねりを重畳できるよう工夫を施した.初期検討の結果,水槽内での水流による気泡生成が確認された.また,不自然な水面振動の抑制に成功した.これらの研究実績の一部は,国内学会において報告された.以上より,2022年度はCOVID19の影響を受けたものの,研究は概ね想定通りに進展した.
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Strategy for Future Research Activity |
2023年度には,高速気流により生成される超高密度気泡層を通しての熱輸送機構を明らかにするために,兵庫県立大学に設置した気泡層実験水槽および気泡群を伴う風波乱流場の再現計算が可能な数値計算法を用いた実験研究および計算研究を継続する予定である.気泡層実験では,あらかじめ水槽内にごく微量のTriton-Xなどの界面活性剤を混入し,混合することにより,界面に厚さ数cm程度の気泡層を形成させる.その後,研究1では水面の平均勾配を形成し気泡層に液側由来のせん断力を,さらに,ファンを用いて風波水槽内に風を流入させ,気泡層にせん断力をかける.風速は,水面波の発生しない風速5m/s以下とする.このように事前に気液界面に気泡層を形成させ,過去に開発した運動量収支法・熱収支法・プロファイル法などを用い熱および運動量輸送量を測定する.計算研究では,実際に気相と液相の中間の特性を持つ第三層として気泡層を設定し,気泡層が気液間運動量・熱輸送に及ぼす影響を定性的に調査する.
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Causes of Carryover |
2022年度には,九州大学・近畿大学・兵庫県立大学に設置されている3つの風波水槽の利用を検討していたが,兵庫県立大学および近畿大学に設置した水槽の利用のみへと使用する実験水槽を絞り込んだ。そのため,当初想定していた国内出張費40万円を使用しなかった.また,出張先の風波水槽実験のために必要とする消耗品費77万円を使用しなかった.以上より,合計約117万円を次年度へと繰り越しを行うこととした.本繰越金は,次年度に近畿大学への出張費・実験消耗品購入費・ソフトウェア保守費・論文印刷費の支払い等に充てる予定である.
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