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2023 年度 実績報告書

乱流熱輸送における究極状態の実現ーメカニズムの解明と実証

研究課題

研究課題/領域番号 22H01401
配分区分補助金
研究機関大阪大学

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)

研究分担者 清水 雅樹  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 助教 (20550304)
本木 慎吾  大阪大学, 大学院基礎工学研究科, 講師 (70824134)
研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード乱流熱輸送 / 究極状態
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.

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.

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.

  • 研究成果

    (19件)

すべて 2023 その他

すべて 国際共同研究 (3件) 雑誌論文 (1件) (うち国際共著 1件、 査読あり 1件) 学会発表 (15件) (うち国際学会 3件、 招待講演 5件)

  • [国際共同研究] マドリード工科大学(スペイン)

    • 国名
      スペイン
    • 外国機関名
      マドリード工科大学
  • [国際共同研究] カールスルーエ工科大学(ドイツ)

    • 国名
      ドイツ
    • 外国機関名
      カールスルーエ工科大学
  • [国際共同研究] オンタリオ工科大学(カナダ)

    • 国名
      カナダ
    • 外国機関名
      オンタリオ工科大学
  • [雑誌論文] Homoclinic bifurcation and switching of edge state in plane Couette flow2023

    • 著者名/発表者名
      Lustro Julius Rhoan T.、Shimizu Yudai、Kawahara Genta
    • 雑誌名

      Chaos: An Interdisciplinary Journal of Nonlinear Science

      巻: 33 ページ: 063112-1-11

    • DOI

      10.1063/5.0133492

    • 査読あり / 国際共著
  • [学会発表] Characterisation of multiscale turbulence in terms of invariant solutions2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      Monash University Seminar
    • 招待講演
  • [学会発表] Ultimate states of wall-bounded convective and sheared turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      University of Melbourne Seminar
    • 招待講演
  • [学会発表] Invariant solutions representing extreme behaviour in turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      10th International Congress on Industrial and Applied Mathematics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Ultimate heat transfer in wall-bounded convective and sheared turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      The 6th Symposium on Fluid-Structure-Sound Interactions and Control
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Super-ultimate behaviour of turbulent thermal convection2023

    • 著者名/発表者名
      Kawahara Genta
    • 学会等名
      2nd International Symposium on Advances in Aerodynamics
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] Super-ultimate transient of turbulent thermal convection between horizontal porous walls2023

    • 著者名/発表者名
      Meng Fanyu, Motoki Shingo, Shirai Atsushi, Kawahara Genta
    • 学会等名
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics, American Physics Society
  • [学会発表] Edge state switching in plane Couette flow2023

    • 著者名/発表者名
      Lustro Julius Rhoan T., Shimizu Yudai, Kawahara Genta
    • 学会等名
      76th Annual Meeting of the Division of Fluid Dynamics, American Physics Society
  • [学会発表] The ultimate heat transfer in turbulent pipe flow with porous wall2023

    • 著者名/発表者名
      Motoki Shingo, Sakai Tomohiro, Nishio Shuji, Genta Kawahara
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Fluids Enginering Division Conference 2023
  • [学会発表] Creation of spanwise vortices in the unstable periodic orbit describing LES Couette turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Eiichi, Kawahara Genta, Jimenez Javier
    • 学会等名
      ASME-JSME-KSME Fluids Enginering Division Conference 2023
  • [学会発表] Physical interpretation for the super-ultimate transient of heat transfer in turbulent thermal convection2023

    • 著者名/発表者名
      Meng Fanyu, Motoki Shingo, Kawahara Genta
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2023
  • [学会発表] Ultimate heat transfer in turbulent thermal convection between horizontal plates with vertical rods2023

    • 著者名/発表者名
      Zhang Yichen, Motoki Shingo, Kawahara Genta
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2023
  • [学会発表] The ultimate state of turbulent heat transfer in pipe flow with porous wall2023

    • 著者名/発表者名
      Hattori Sena, Motoki Shingo, Takasaki Shyouhei, Genta Kawahara
    • 学会等名
      日本流体力学会年会2023
  • [学会発表] Spanwise vortex structure and orbital instability of unstable periodic orbit in plane Couette turbulence2023

    • 著者名/発表者名
      Sasaki Eiichi, Kawahara Genta, Jimenez Javier
    • 学会等名
      18th European Turbulence Conference
  • [学会発表] Sidewall-induced secondary currents and coherent structures over mobile sediment beds2023

    • 著者名/発表者名
      Scherer Markus, Uhlmann Markus, Sakai Yoshiyuki, Kawahara Genta
    • 学会等名
      18th European Turbulence Conference
  • [学会発表] スリット付きフィンを導入したチャネル乱流における受動的及び能動的非相似的伝熱促進2023

    • 著者名/発表者名
      脇優一、河原源太、本木慎吾
    • 学会等名
      第37回数値流体力学シンポジウム

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公開日: 2024-12-25  

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