脈動流場における熱・物質輸送特性およびその制御性に関する基礎研究

2004 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 15760139
• Research Institution: Sojo University
• Principal Investigator: 齊藤 弘順 崇城大学, 工学部, 講師 (00331059)
• Keywords: 脈動流 / 流れの可視化 / 温度場の可視化 / 境界層 / 渦 / 熱伝達率

Research Abstract

本研究は内部流れを対象に、脈動流場を決定づける諸因子(平均流量、脈動のモード、周波数、振幅)による速度および圧力の変動が壁面近傍の速度・温度境界層に及ぼす影響を実験的に調べ、定常流中に内在する乱れと大規模な流量変動との相互干渉のメカニズムを解明することを目的としている。平成16年度は矩形管に平板を挿入(熱交換器やフィンの単純化幾何学モデル)したテストセクションを用い、特に脈動周波数が流れと熱伝達に及ぼす影響について着目して流れの可視化実験および温度場の可視化実験を行った。その結果、層流域においては、時間周期的に流量が変動することにより、流路幅方向に流速の大きな領域と小さな領域が交互に現れ、その速度差によって比較的小さな渦が多数形成されることが明らかとなった。この渦を伴う流れと大規模な流量変動とが互いに干渉しあい、非常に複雑な流れ場となることを示した。また、カラーシュリーレン法により温度境界層の時間変動を動画として記録し、それを時間分解データに分割し、瞬時瞬時の局所温度境界層厚さを計測することで脈動流場における伝熱促進(定常流と比較して)の様相を定量評価した。流れ場および温度場の両可視化結果を照らし合わせた結果、上記様々なスケールの渦を伴う複雑な流れにより、総じて脈動流の方が高い熱伝達率が得られるが、流路入口近傍(平板先端付近)では流れの脈動によって伝熱が抑制されることがわかった。この特徴は周波数が大きくなる程顕著に現れた。これは流路入口近傍では、時間平均的には局所的に流体速度が小さくなった(渦による逆流成分の影響)ためと考えられる。この結果を輸送現象に関する国際会議(ISTP : International Symposium on Transport Phenomena)において本年8月に発表予定である。
今後は、可視化画像解析を更に進展させ、特に流れ場においてPIVにより非定常流れ場の速度ベクトル情報を取得し、定量的な脈動流場の熱伝達促進機構の解明を目指す予定である。