| 研究概要 |
高温及び低温液体を入れた二つのタンクを細長い管でつなぎ,管内の液体に脈動を与えると,高温側から低温側への熱伝達が大幅に促進される.単一の円管などについてのこれまでの研究から,熱伝達量は脈動振幅の自乗と管軸方向温度こう配の積に比例することなどが明らかになっている.実際の装置では管束が用いられるので,管束による熱輸送特性を解析した.円管束の場合,管外にすき間ができ,その部分では熱伝達特性が低くなるので,空間をすき間無く埋めることができる正三角形,正方形,正六角形断面の管も考えた.管断面積,管壁厚さと脈動振幅を同一にした解析から,単一の管としては三角形管がもっとも熱伝達量が大きいこと,管断面形状以外にも管材料の熱伝導率,管壁の厚みなどもこの装置の性能に大きな影響を与えることが分かった.次ぎに,管壁が波状に変化する管を考え,波状管の波数,波状振幅,流体脈動振幅,流体脈動周波数などが熱伝達特性に与える影響を調べた.調べた範囲では,波状管の波状振幅が大きいほど軸方向熱伝達が促進された.この装置では液体脈動振幅や脈動周波数を変えることで,熱伝達量を制御することができるが,波状管を採用することで応答遅れを小さくできることも分かった.
一方,管内での熱伝達機構を詳細に調べ,管壁に比較的近いある断面部分で熱が低温側から高温側に(通常とは逆向きに)輸送されることを発見し,流体脈動変動と温度脈動変動の間の位相差がπ/2を超える部分でこの現象が起こっていることを確認した.これらの目に見えない現象を誰にでも分かりやすく説明するための可視化方法を研究し,一つの画像で表現する量を選択し,制御すべきであるとの結論に達した.先ず,流体脈動と温度脈動の間の位相差を分かりやすく表現する方法を検討し,それぞれを異なる色のワイヤフレームで表現したアニメーションを用いるのがもっとも分かりやすいことが分かった.次ぎに熱輸送のメカニズムを表現するために,エンタルピの流れを仮想的な熱粒子の運動に置き換えてアニメーションで表現した.基礎式を解いた結果を定量的に表した本研究の結果は,これまでの定性的説明から受ける熱粒子の運動に対する印象とは大幅に異なり,熱粒子のごくわずかの横方向(流体脈動の方向に直交する方向)の運動が大幅な熱伝達促進につながることを視覚的に示すことができた.
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