| 研究課題/領域番号 |
20K04316
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| 研究機関 | 明治大学 |
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研究代表者 |
中別府 修 明治大学, 理工学部, 専任教授 (50227873)
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| 研究期間 (年度) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| キーワード | 熱流束 / MEMS / 移流 / 相関解析 / 伝熱メカニズム |
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| 研究実績の概要 |
乱れを伴う流動伝熱場における瞬時局所熱流束を多点薄膜センサで計測し， 壁面近傍の移流速度を熱流束信号から抽出する技術を開発するとともに，抽出された移流速度の物理的意味と熱伝達の関係を明らかにすることを目的としている。
初年度には，MEMS技術によって直径480μｍの円形RTD4個を約1mm四方に収めた近接多点センサをシリコン基板上に製作し，乱れを伴う流れが壁に沿って流れる場で熱流束，近傍速度の同時計測を行い，移流情報の推定を検討した。ノズルから約0.5m/sの平均速度で噴出した空気がセンサ上を流れる場では，4つのセンサは類似の熱流束トレンドを示し，遅れ時間を含む相互相関解析によって，渦がセンサ上を移流する沿面速度を計測していることがおよそ確認できた。一方，4つの速度ベクトルの発散から法線速度を導出する試みに関しては，向壁，離壁の方向は概ね導出できるが，定量性は得られなかった。また，移流速度は熱流束センサ直上で同時計測した熱線流速計の速度計測の結果と比較し，約2mmの高さの速度のレベルと一致することが分かった。今後，境界層との関係を調べる必要がある。
また，既知の流れ場に対して流動と熱流束の関係を捉える試みとして，ノズルから連続的に渦輪を生成し，渦輪と壁面の干渉を対象とすることとした。リニアアクチュエータを用い，PC制御で渦輪を生成し，薄膜センサが渦輪の衝突に対応した熱流束トレンドを捉えられることを確認した。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
コロナ禍において，クリーンルームでのMEMSセンサ製作作業が遅れ，実験も予定よりおくれた。しかし，試作したセンサで渦輪に対する応答を得られる目途が立ち，今後の研究は目的を目指して実施できるものと考えている。
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| 今後の研究の推進方策 |
乱れを伴う流動伝熱場に多点薄膜熱流束センサを適用し，熱伝達と移流情報を調べる技術の開発として，多点センサの信号から移流情報を抽出する研究，抽出された移流速度の物理的意味と熱伝達の関係を明らかにする研究を実施する。
多点センサの点数を4点から5点へ増やし，相関解析で導出する速度に冗長性を持たせ，信頼性の高いデータを優先採用して，壁面に沿う移流速度を精度よく抽出する方法を試す。
周期的に生成した渦輪と壁面の干渉時の熱伝達を対象として，提案手法を実験することで，既知の流れの状態における熱流束の変化を調べ，非定常な流れと熱流束の関係を理解する。また，壁面熱流束と相関の高い速度を示す距離を調べ，乱れと境界層の関係を含めた伝熱特性を調べる。さらに，熱流束のFFT解析と移流速度から渦の長さスケールを求め，渦輪の大きさとの関係を調べ，着想の正しさを検証する。
壁面近傍の移流と熱伝達の関係に関して，計測した熱流束と推定した速度の関係を既存のヌッセルト数，レイノルズ数の関係等と比較し，検討する。
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| 次年度使用額が生じた理由 |
コロナ禍において，クリーンルームでのMEMSセンサ開発に制限が発生し，センサ製作に遅れが発生した。また，研究室での研究活動も抑制されたため，実験の進捗が予定よりも遅れた。また，国内，国際会議での発表がオンラインとなり，旅費が発生しなかった。
次年度は，コロナ禍が継続するが，状況に対応した研究推進を心掛け，予定の研究活動を実施する。次年度使用額は，残りの研究期間で使用し，全体の収支を合わせる予定である。
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