非定常熱伝達特性の流体温度ゆらぎ周波数依存性に関する研究 (先行基礎工学研究に関する共同研究報告書)

Study on Unsteady Heat Transfer with Fluid Temperature Fluctuation - Effect of the low-frequency fluid temperature fluctuation on the heat transfer characteristics -

千田 衞*; 稲岡 恭二*; 吉村 信哉*; 村松 壽晴; 村上 諭*; 田中 正暁  

Senda, Mamoru*; Inaoka, Kyoji*; Yoshimura, Shinya*; Muramatsu, Toshiharu; Murakami, Satoshi*; Tanaka, Masaaki

サーマルストライピング現象において、構造物の熱疲労挙動を支配する低周波数の流体温度ゆらぎと非定常熱伝達特性の関連性について基礎的実験を行った.実験では平行平板間流路の上流側に角柱を挿入し,角柱後流に周期的に放出される大きなスケールの渦を発生させた.さらに、角柱上流側の流路入口で、温度の異なる流体を流入させることにより、角柱で発生する後流渦により角柱背後で低周波数・高振幅の温度ゆらぎを与えた.角柱のアスペクト比を変化させて後流渦の状態(渦のスケールおよび周波数)を変えることによって、発生する温度ゆらぎの周波数および振幅を変化させた.熱伝達率の時系列データ測定には,流路壁面に設置した薄膜熱流束センサーを使用した.実験条件はレイノルズ数Reが9000,角柱からの温度ゆらぎのストローハル数Stは0.159St0.209(流体温度ゆらぎ周波数fは1.80Hzf3.34Hz)とした.流体温度ゆらぎ場における局所平均ヌセルト数は温度ゆらぎのない場合とほぼ等しくなり,また本実験条件における周波数範囲では熱伝達率の流体温度ゆらぎ周波数への依存性は小さいことが分かった.また、実験条件を対象として数値解析を実施した.その結果,ヌセルト数変動のスペクトル分布および流体温度ゆらぎのスペクトル分布について解析結果と実験結果は良い一致を示した。

Heat transfer experiments have been carried out in order to clarify the effect of the low-frequency fluid temperature fluctuation on the unsteady heat transfer in a channel, which is related to the thermal striping phenomena. In this study, fluid temperature fluctuation was realized by the periodic large-scale shedding vortices in the channel with a rectangular cylinder, where the hot and cold water flows into the test section from the lower and upper parts of the contraction. The frequency of fluid temperature fluctuation was controlled by changing the width-to-height ratio of the cylinder. The unsteady heat transfer coefficient of the channel wall was measured by the thin-film heat flux sensor. The experiments were made for the Reynolds number of 9000 and the Strouhal numbers ranging from about 0.16 to about 0.2. It is found that the time averaged Nusselt numbers in the fluid temperature fluctuation field are almost equal to those of the constant fluid temperature regardless of the Strouhal number under the present experimental conditions.And numerical simulation was carried out for typical experiment condition. By the numerical simulation, dominant frequency of Nusselt number fluctuation and fluid temperature fluctuation showed good agreement between experiment and calculation.