配管系サーマルストライピングの乱流特性に関する基礎研究配管合流領域における乱流混合メカニズムの基礎研究

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戸田 三郎*; 結城 和久*; 村松 壽晴

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異なる温度を持つ流体が合流する領域では、流体の不安定混合に伴う非定常の温度変動、すなわちサーマルストライピングが発生し、周囲の構造材が高サイクルの熱疲労によって損傷される現象が問題となっている。本研究ではT字配管合流部において発生するサーマルストライピング現象とそれに伴う壁面温度変動の関連を明らかにするため、 PIV可視化システムを用いて流体混合状態に対する口径比、流速比および枝管入射角度の影響を評価するとともに、最終的に壁面温度変動との因果関係を明らかにする。まず等温場における可視化実験により、枝管から流出する噴流軸が非定常に振動し、これが噴流まわりに形成される循環流・カルマン渦、そして主流のバックグラウンドとして存在する非定常ゆらぎに強く影響されることが明らかとなった。特に流量比が低い場合、すなわち枝流の流量が主流に対して比較的低い場合、主流ゆらぎと噴流軸振動の周波数帯はほぼ一致した。また噴流軸振動の定量化と熱疲労回避条件を摘出するため、噴流軸の侵入位置を一般化した。次に、非等温場における壁面近傍の温度計測から、流量比が低い場合、合流部下流側の主配管内壁において温度変動の強い領域が確認され、その変動周波数が主流揺らぎ・噴流振動とほぼ同じ周波数帯であることが明らかとなった。併せて、ベンドで形成される 2次流れの可視化から、 2次流れの非定常挙動と先程の温度変動の周波数帯がほぼ一致、すなわち流体混合と壁面温度変動は上流ベンドで形成される 2次流れの非定常減衰過程に強く影響されることが確認された。

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