2014 Fiscal Year Research-status Report
複合外力を受ける壁温条件急変系の熱伝達機構の解明と高熱伝達条件の探求に関する研究
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26420144
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| Research Institution | Nagoya Institute of Technology |
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Principal Investigator |
服部 博文 名古屋工業大学, 工学(系)研究科(研究院), 課長 (30467352)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 乱流熱伝達 / 直接数値シミュレーション / 壁面加熱条件 / 圧力勾配 / 温度成層 / 温度混合 / 温度助走区間 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は，外力が重畳した乱流境界層や壁面熱的境界条件が変化する壁面乱流場等の，熱伝達機構と高熱伝達条件を直接数値シミュレーション(DNS)によって解明かつ探究するものである．
平成26年度は，(1)種々の温度成層乱流境界層に逆圧力勾配を付加した場合，(2)壁面熱的境界条件を流路途中で変化させた場合，(3)異なった温度を持つ乱流を混ぜた場合，(4)加熱された壁面がステップ変化する場合の乱流熱伝達場について解析を行い，それぞれの知見を得た．
(1)では，中立，安定，不安定温度成層場にそれぞれ非平衡状態となる逆圧力勾配を付加し，乱流境界層の変化や，壁面摩擦係数や熱伝達率等の基本統計量を取得し，温度成層場での逆圧力勾配の影響を調べた．逆圧力勾配中立成層では，過去の実験の知見を明確に再現し，本DNSの精度の高さと，実験では不明確であった壁面極近くや乱流温度場の詳細な乱流統計量を明らかにすることができた．また，逆圧力勾配安定・不安定成層では，成層効果と逆圧力勾配効果が重畳した乱流場の統計量から，安定成層に逆圧力勾配を付加することで低壁面摩擦，高熱伝達条件が得られることを発見した．(2)では，種々の壁面加熱条件を持った平板に沿う乱流境界層と，円管を流路途中加熱した乱流場で，速度場と温度場の非相似性の影響や，異なった壁面加熱条件で乱流温度場の発達や減衰を観察し，その違いによる温度場の発達状況に差異があることを見出した．(3)では，温度が異なる２つの入口流路を設定し，それら流路が合体させた下流での温度混合度の違いを乱流統計量と瞬時乱流諸量の可視化から観察し，入口温度分布条件の違いで高混合が達成される場合があることを見出した．また，乱流モデルの予測性能評価も行った．(4)では，後ろ向きステップを持つ乱流境界層熱伝達場の解析を行い，壁面形状の変化が乱流熱伝達場に与える影響を詳細に調べた．
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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
平成26年度は，(1)種々の温度成層乱流境界層に逆圧力勾配を付加した場合，(2)壁面熱的境界条件を流路途中で変化させた場合，(3)異なった温度を持つ乱流を混ぜた場合，(4)加熱された壁面がステップ変化する場合の乱流熱伝達場について解析を行い，それぞれの以下の知見を得たことから，おおむね順調に進展していると自己評価した．
(1)では，中立，安定，不安定温度成層場にそれぞれ非平衡状態となる逆圧力勾配を付加し，乱流境界層の変化や，壁面摩擦係数や熱伝達率等の基本統計量を取得し，温度成層場での逆圧力勾配の影響を調べた．逆圧力勾配中立成層では，過去の実験の知見を明確に再現し，本DNSの精度の高さと，実験では不明確であった壁面極近くや乱流温度場の詳細な乱流統計量を明らかにすることができた．また，逆圧力勾配安定・不安定成層では，成層効果と逆圧力勾配効果が重畳した乱流場の統計量から，安定成層に逆圧力勾配を付加することで低壁面摩擦，高熱伝達条件が得られることを発見した．(2)では，種々の壁面加熱条件を持った平板に沿う乱流境界層と，円管を流路途中加熱した乱流場で，速度場と温度場の非相似性の影響や，異なった壁面加熱条件で乱流温度場の発達や減衰を観察し，その違いによる温度場の発達状況に差異があることを見出した．(3)では，温度が異なる２つの入口流路を設定し，それら流路が合体させた下流での温度混合度の違いを乱流統計量と瞬時乱流諸量の可視化から観察し，入口温度分布条件の違いで高混合が達成される場合があることを見出した．また，乱流モデルの予測性能評価も行った．(4)では，後ろ向きステップを持つ乱流境界層熱伝達場の解析を行い，壁面形状の変化が乱流熱伝達場に与える影響を詳細に調べ，ステップ下流における速度場と温度場の非相似性からなる熱伝達場の変化を明確に示した．
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| Strategy for Future Research Activity |
研究目的に沿った様々な乱流熱伝達場における直接数値シミュレーション（DNS）を行うとともに，それら乱流熱伝達場を予測する乱流モデルの評価，再構築に着手する．具体的には，やや低レイノルズ数の解析となっている現在のDNSの結果を精査し，より実際に近いこうレイノルズ数条件下での解析を試みる．また，高熱伝達条件を達成しうる条件である速度場と温度場の非相似性を有する乱流場として，壁面熱的境界条件を変化させた乱流境界層や，円管内温度助走区間の計算を引き続き行い，高熱伝達を達成するための条件を探る．また，新たな試みとして，速度場と温度場の非相似性が強く出せる平板に沿う平面噴流乱流熱伝達場の計算を行い，乱流熱伝達場の解析を行う．これらの乱流熱伝達場について，基本統計量を取得することによって，場の基本構造は理解できるが，高熱伝達条件を探るためには，それら乱流熱伝達場の理解をさらに深める必要がある．そのため，４象限分類法や流体軌跡解析法といったより先進的な乱流熱伝達場の解析方法を取り入れ，現象理解に繋げる．
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| Causes of Carryover |
物品費で購入した計算機を維持させるために購入すべきハードディスク等の消耗品の支出を，計算機の使用方法の工夫で極力抑えたため
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
ハードディスク等の消耗品は，計算機の使用方法の工夫で極力抑えることも可能であるが，不意な計算機の故障による研究遂行の障害にならないよう，予備的に消耗品を購入することも必要であることから，引き続き消耗品費に使用する
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