| 研究概要 |
管内乱流において壁面粗度が流路途中で急変する場合,まず壁近傍の流れ場に変化が起こり,下流に向かうにつれて変化は壁近傍から流路中心部へと進展する.そして,境界条件の急変後,ある程度の距離を経た後に場全体が新たな境界条件に対応した平衡状態に達する「リラクゼイション(弛緩)過程」が出現する.本研究では,代表的な複雑乱流であり工学的な応用価値も高い矩形断面流路内の乱流において,壁が流路途中で粗面から滑面へと急変する場合を取り上げ,等温流において速度場・応力場が滑面流路内の完全発達流状態に至るまでの変化過程を解明するとともに,強制対流熱伝達下において温度場の弛緩過程についても測定を行い,複雑乱流における運動量輸送と熱輸送のメカニズムとその相似性について検討することを目的とした.
まず強制対流下における温度場の弛緩過程を明らかにするための第1段階として,正方形流路の1面あるいは対向2面を粗面化した加熱流路において,完全発達状態の平均および変動温度場の測定を行った.その結果,平均温度場と平均速度場の間には非相似性が現れること,その非相似性が乱流熱流束と乱流せん断応力の増大率の相違に起因することが明らかとなった.次に,矩形流路の壁面が流路途中で粗面から滑面に急変する流路において,速度・応力場の測定を行いその弛緩過程について検討した.その結果,速度変動強度は,壁面粗度の急変後,粗面流路の値を一旦オーバーシュートし次に滑面流路の値をアンダーシュートした後に,新たな平衡状態へ達する特異な変化過程をとることが明らかとなった.次に,これと同様の流路系において壁面を等温度加熱した状態で,平均温度分布と乱流熱流束の測定を実行し,温度場の弛緩過程について検討した.とくに,乱流熱流束と乱流せん断応力の変化過程の比較から,壁面境界条件の急変後,平衡状態への回復は速度場に比べて温度場の方が早いことを明らかにした.
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