| 研究課題/領域番号 |
23K22672
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| 補助金の研究課題番号 |
22H01401 (2022-2023)
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| 研究種目 |
基盤研究(B)
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| 配分区分 | 基金 (2024)
補助金 (2022-2023) |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分19010:流体工学関連
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| 研究機関 | 大阪大学 |
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研究代表者 |
河原 源太 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 教授 (50214672)
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| 研究分担者 |
本木 慎吾 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 講師 (70824134)
清水 雅樹 大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (20550304)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2024年度)
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| 配分額 *注記 |
18,200千円 (直接経費: 14,000千円、間接経費: 4,200千円)
2024年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2023年度: 1,950千円 (直接経費: 1,500千円、間接経費: 450千円)
2022年度: 14,300千円 (直接経費: 11,000千円、間接経費: 3,300千円)
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| キーワード | 乱流 / 乱流熱伝達 / 究極状態 / 乱流熱輸送 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
熱流体工学における代表的難問のひとつに，乱流熱輸送における究極状態の実現がある．壁面間の熱対流や剪断流における究極熱伝達は，熱伝導に支配されるはずの壁面熱流束が熱伝導率に依存せず大きな値をとることから，特異な現象といえる．本研究では，単純な多孔性や溝の実装，つまり静的（受動的）な壁面性状の改変により壁面上の流れを不安定化させ，滑面や粗面上とは全く異なる大規模乱流構造を発現させ，壁面上の熱伝導層内でも乱れを誘起することで，壁面間の熱対流，剪断流に対してシミュレーションと実験の両面で究極状態を達成する．さらに，究極熱伝達のメカニズムをNavier-Stokes方程式の不変解により理論的に解明する．
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| 研究実績の概要 |
壁面間の熱対流や剪断流における究極状態は，熱伝導に支配されるはずの壁面熱流束が熱伝導率に依存せず格段に大きな値をとる極めて特異な現象であり，半世紀以上にわたりその実現が世界各国で精力的に追及されてきたが，未だに実現されていない．本研究では壁面間の熱対流，剪断流に対して直接数値シミュレーション（DNS）と実験の両面で究極状態達成に取り組んだ．
熱対流に関しては，多孔性あるいは突起群を付与した壁面間の熱対流乱流での究極状態をDNSおよび実験により追求した．DNSでは，多孔性あるいは突起群を付与した壁を埋込境界法により数値的に表現し，Boussinesq近似を適用したNavier-Stokes方程式，連続の式，エネルギー方程式を数値積分した．本DNSではオープンソースコードXcompact3dを適用した．実験では，多孔性を実装した金属製水平壁に挟まれた透明アクリル製容器内に満たした水中で熱対流を発生させた．下壁面の側面にシリコーンラバーヒーターを貼付して加熱し，上壁面には低温恒温槽（チラー）から冷却水を供給した．熱対流の温度と速度の計測には，現有の熱電対，感温液晶トレーサー，レーザー流速計および本研究費で購入した粒子画像流速計（PIV）とレーザー誘起蛍光装置を用いた．以上のDNSおよび実験のいずれでも究極状態の実現に成功した．
剪断流に関しては，円管乱流に関する実験を実施した．円管流は，多孔性を実装した金属製円管で水流をポンプにより駆動することで発生させた．金属製円管外面にシリコーンラバーヒーターを貼付して加熱し，ポンプを介して低温恒温槽から管内に低温水を供給した後，恒温槽に戻して循環させた．円管の計測部のみ透明アクリル製である．剪断流の温度，圧力，速度の計測には，現有の熱電対，圧力センターおよび本研究費で購入したPIVを使用した．この円管乱流においても究極状態の実現に成功した．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究の目標である究極状態を，多孔性のみならず突起群を付与した壁面間の熱対流乱流に対して，直接数値シミュレーションにより実現できた．多孔性を付与した壁面間の熱対流乱流に関しては実験においても実現できた．さらに，壁面剪断乱流に関しても，多孔性を付与した円管乱流の実験において究極状態を実現している．以上の成果から，本研究が順調に進捗していると判断できる．
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| 今後の研究の推進方策 |
これまでの研究では，多孔性あるいは突起群を付与した壁面間の熱対流乱流に対して，直接数値シミュレーションと実験のいずれにおいても究極状態を実現し，壁面剪断乱流に関しても多孔性を付与した円管乱流の実験において究極状態を実現している．今後は，多孔性を有する壁面間の熱対流乱流や剪断乱流において究極状態が達成されるメカニズムを詳細に調べる予定である．さらに，解明された究極状態達成のメカニズムに基づいて，多孔性や突起群以外の，工学的実装がより容易な壁面性状の付与による究極状態の実現を追求する．
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