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加熱された平板が水平上向きに設置されると板のまわりには、板の両端部から低温流体が流入し板表面に沿って流れた後、板中央からプルームとなって離脱、上昇する一連の自然対流が発生する。この自然対流は熱的に不安定であり、板上の流れは容易に層流から乱流へと遷移する。本研究では常温の水を試験流体として、上述の乱流遷移過程を可視化および局所熱伝達率の測定により探った。その結果、流れが乱流に遷移するに際しては、まず板表面に沿う流れが3次元的にはく離し、その後乱流へ遷移していくことが分かった。また、この3次元はく離は伝熱面のスパン方向に比較的規則正しいピッチで生じ、はく離域後方での熱伝達が顕著に促進されることが分かった。つぎに、このはく離・乱流遷移機構の詳細を探るため、3次元非定常数値解析による現象の模擬を試みた。解析ではドナーセルによる差分法を用い、有限長さの等熱流束加熱平板が一様な温度かつ十分な広がりをもつ水中に置かれた場合を対象とした。その結果、板端部から流入した流体は、板により加熱され不安定となって、流れ方向に軸をもつロールセル状の2次流れを形成すること、このロールセルの形成により熱伝達が促進されること、またセル状流れが成長・崩壊することにより伝熱面上の流れが乱流へ遷移していくなどの現象が解析により見いだされた。また、解析により得られたロールセルの発生開始位置やセルのピッチは、実験で得られた3次元はく離の開始位置およびピッチと良好に一致し、局所熱伝達率分布についてもほぼ一致する結果を得た。以上のことから、本解析により水平平板上自然対流の乱流遷移過程が模擬可能なことが分かった。
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