| 研究概要 |
本研究では,工学的に重要なT形合流管として,主管と枝管が対向し両者に直角に合流管が接続された対向形合流管,および主管に対し枝管が直角に接続された直交流合流管の2種類を取り上げ,管内の乱流混合機構について実験的に明らかにした.また,一連の実験で得られた知見に基づき,噴流を主管流に作用させることにより乱流混合を促進・制御する手法を開発し,有効性を確認した.
対向形合流管では,液乱流において対向管側流体に蛍光塗料を溶解させ,PIVとPLIFによる速度場と濃度場の計測を行った.計測の結果,合流直後のエッジ部近傍にははく離泡が形成されるとともに,合流管の断面内には大規模な二次流れが生じるため,合流管内の流れ場と濃度場は複雑な3次元構造を有することが明らかになった.また,混合部の瞬時速度場を固有直交関数展開により解析することにより,混合層は流動方向に水力直径の数倍に及ぶ大規模なスケールを維持しながら,スパン方向に揺動していることが判明した.また,乱流物質流束の計測から,乱流混合が上記のスパン方向の揺動に加えて,主管流の回転的運動により支配されていることが明らかになった.
直交形合流管においては,高温空気流と低温空気流が合流・混合する場合を取り上げ,流動場の3次元構造と温度混合層における乱流熱輸送のメカニズムについて明らかにした.合流直後の主管内には3次元形状をもつはく離泡が形成され,その周囲のせん断層では強い乱れが生成される.しかし,この乱れは混合層の下側に存在するため,乱流混合には直接寄与せず,混合層の発達は下流域で停滞することが判明した.こうした実験結果から,本研究では,合流部の上流側エッジ部において噴流を主流に作用させることで,混合層の上部に強い乱れを発生させ,噴流速度を変化させることにより変動速度の強度および混合の状態を制御する手法を考案し,その有効性を実験的に明らかにした.
|
