2015 Fiscal Year Research-status Report
ディンプルを利用した熱遮蔽性能維持下での対流伝熱促進
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26420136
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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) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | フィルム冷却 / 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 / LES |
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| Outline of Annual Research Achievements |
フィルム冷却はガスタービン翼表面への空気膜形成により高温燃焼ガスからの熱流入を遮蔽する高熱効率化に必須の技術である．特に翼後縁部は，両面からの熱負荷が非常に高いがその薄さのために内部冷却が困難な部位であるので，片側壁を除去したカットバック形状を採用している．そこでのフィルム冷却では，熱遮蔽性能を維持したままでカットバック面の積極的な冷却（伝熱促進）が要求される．これは従来とは異なる制約条件下での新たな伝熱促進問題となる．本研究は，伝熱計測，PTV乱流計測，LES・DNS数値解析を流れパラメータとカットバック粗面形状を変化させて行い，最適粗面形状の提案とその熱遮蔽冷却原理の説明を行うことで，この新たな伝熱促進問題に解を与える．
伝熱実験での作動流体は空気であり，冷却流路は高さH，主流流路は高さ4H，幅40Hである．固体内３次元熱伝導を考慮した非定常法によって，フィルム冷却効率と熱伝達率の同時計測を行う．主流レイノルズ数25,000，ブロー比M=0.5～2.0とする．二年度目はティアドロップディンプル面全体を回転（30, 45, 60度）させた形状において斜め方向にディンプル位置をずらすことで回転角度とは独立に２つの配列（千鳥と碁盤目）を構成して実験を行った．
PTV計測実験での作動流体は水であり，直径50μmの樹脂粒子で流れを可視化し，高速度ビデオカメラ２台で撮影する．YLFレーザからシート光を照射し，連続時刻間での粒子位置追跡から速度場を算出する．伝熱実験に対応した30度傾斜の２つの配列での速度３成分乱流計測を幅方向に多断面（５断面）で行った．
LES・DNS解析では非構造格子での有限体積法を用いた．二年度目はディンプル傾斜と配列の影響をより単純化した系で調べるために二平板間内部流での片壁を千鳥配列ティアドロップディンプル面とし，面回転角度0度と30度での計算を行った．
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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
伝熱実験では初年度に明らかにしたディンプル傾斜角度の影響に加えて，各傾斜角度で配列を変化させて実験を行い，配列の影響を調べることで，フィルム冷却効率（熱遮蔽性能を表す）は傾斜角度と配列への依存性が低いこと，また，30度傾斜碁盤目配列の場合にヌセルト数（熱伝達率の無次元数）および正味熱流束低減率（Net Heat Flux Reduction: NHFR）がともに最大となることがわかった．30度傾斜碁盤目配列の場合には流れ方向にディンプルが一列に並ぶ配列となり，30度傾斜での碁盤目・千鳥配列での多断面PTV計測実験での結果では上流側隣接ディンプル位置の違いにより碁盤目配列は千鳥配列よりもディプル内部での流れの剥離が抑制されることが確認された．また，LES解析では内部流での0度と30度傾斜ティアドロップディンプルでの計算を行い，別途行った内部流伝熱実験結果とLES解析結果はヌセルト数でほぼ一致した．現在30度傾斜碁盤目配列での高いヌセルト数・NHFRと流れ場の関係をPTV計測とLES解析の結果を用いて解析中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
二年度目の結果から，30度傾斜碁盤目配列の場合にフィルム冷却総合性能（NHFR）が高いことが示された．対応する形状での幅方向多断面PTV計測および内部流に単純化したLES解析を行いデータは取得できており，今後，これらのデータから30度傾斜かつ碁盤目配列の高いNHFRの理由（熱遮蔽冷却原理）を説明するとともに，さらなる最適粗面形状を伝熱実験，PTV計測，LES・DNS解析によって探索していく予定である．
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| Causes of Carryover |
成果発表国際会議をカナダでの国際会議から国内開催の国際会議に変更し（発表件数は２件に増やした），旅費が予定よりも大幅に減額されたため．
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
次年度に国際会議発表１件を行う際の参加登録費・旅費として，また，伝熱・可視化実験用ディンプル面の材料費および計算機の消耗品費として使用予定である．
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