| 研究課題/領域番号 |
20K14671
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| 研究種目 |
若手研究
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| 配分区分 | 基金 |
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| 審査区分 |
小区分19020:熱工学関連
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| 研究機関 | 東京理科大学 |
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研究代表者 |
福留 功二 東京理科大学, 工学部機械工学科, 助教 (70710698)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2022-03-31
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| 研究課題ステータス |
完了 (2021年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2021年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2020年度: 3,250千円 (直接経費: 2,500千円、間接経費: 750千円)
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| キーワード | 強制対流 / 乱流 / 非相似性 / 乱流スポット / 熱流体力学 / 間欠流れ / 熱輸送 / 流体摩擦 / 熱交換器 / 伝熱促進 / 局在乱流 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
熱交換器は工業的に広く使用されており今後も市場の拡大が予測されている．このような状況下で熱交換器の性能向上はエネルギーの有効利用や環境保全を目的として広く研究されている．一方，一般の流れにおいて熱伝達（熱拡散）と流体摩擦抵抗（運動量拡散）に強い相似性があるため，熱伝達のみを増加させることは困難であった．本研究では，非相似性を有する流れの一つである層流と乱流の遷移域に見られる局在化した乱流（局在乱流）を対象として，その効率的な熱輸送状態を示すメカニズムを明らかにする．また，このような非相似性を有する流れの効率的な発生方法やレイノルズ数においてその有用性を検討する．
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| 研究成果の概要 |
一般にコルバーンのアナロジーに代表される相似性のため，流体の熱輸送の増加には流体摩擦の増大が伴う．本研究では，この相似性を破り効率的熱輸送状態を実現する新しい流れの発見とそのメカニズムを明らかにした．対象とする流れは，層流に発達する乱流スポットである．この乱流スポットの成長過程において効率的熱輸送状態が実現されることを直接数値シミュレーションにより調査した．その結果，この成長過程で効率的熱輸送状態が確認でき，この効果は小スケールの乱流運動により生成されることを明らかにした．さらに，浮力が作用する場合においても乱流スポットの成長過程で同様の効率的熱輸送状態が確認されることが分かった．
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| 研究成果の学術的意義や社会的意義 |
近年のエネルギー問題の解決にむけて熱交換器の効率を向上させることは喫緊の課題である．しかし，流体の熱輸送と運動量輸送の相似性から，熱輸送のみを増加させることは一般に困難であった．本研究で発見した乱流スポットの効率的熱輸送状態は，これからの非相似性を有する流れの実現に向けて重要な礎となることが期待できることから学術的意義が大きいと考えられる．さらに，熱交換器や物質混合器などの性能向上を実現し，様々な設計問題のブレイクスルーに繋がることから工学的意義が大きい．また，エネルギーの有効利用に貢献し，社会的な環境問題や資源問題の解決の一助となることが期待できる．
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