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論文

感温液晶による温度測定に関する研究,第2報; 計測の高速化

森本 俊一*; 秋野 詔夫; 一宮 浩市*

日本機械学会論文集,B, 63(611), p.220 - 223, 1997/07

感温液晶は、温度に応じた色彩を呈するため、温度分布の定性的可視化観察に広く用いられており、最近はテレビカメラを用いた色彩計測技術の普及とともに温度分布の定量的高精度計測技術としても注目されている。さらに、高速現象への適用が期待され、そのために感温液晶の色彩変化の時定数の評価が不可欠である。そこで、高速色彩計測系の開発を行った。まず、感温液晶の分光反射特性とフォトダイオードの分光感度特性を用いて計測システムの出力特性を予測する計算を行い、波長特性を有する2個の高速応答性の高感度アバランシェ・フォトダイオードを用いる計測システムが良好な特性を有することを見いだした。次いで、計測系を組み立て感温液晶の色彩変化特性を実測し、ほぼ予測通りの測定精度と範囲を有することを明らかにした。この成果によって、感温液晶温度測定の可能性を広げることができた。

論文

感温液晶による温度測定に関する研究,第1報; 分光・色彩特性

森本 俊一*; 秋野 詔夫; 一宮 浩市*

日本機械学会論文集,B, 63(611), p.213 - 219, 1997/07

感温液晶は温度に応じて明瞭な色彩を呈するので、温度分布の定性的可視化観察に既に広く用いられており、最近ではテレビカメラを用いた色彩計測技術の普及とともに温度分布の定量的かつ高精度な計測技術としても注目されている。しかし、液晶の光学的測定には、諸特性の基礎となる分光特性、照明及び観察の角度の影響、高精度な色彩から温度への変換法、ヒステリシス等解明すべき事項が残されている。本論文では、まず物性と見なしうる分光反射率を測定し、スペクトルが最大となる波長から高精度に温度を決定できるピーク波長法を評価した。次いで、色彩理論に従って分光反射率より色度座標値を算出し、色相値と温度の関係を同定するとともに、ヒステリシスは求められないこと、さらに、照明及び観察方位角が温度値に与える誤差を評価した。これらの成果は、液晶温度測定法の物理的基礎の構築に寄与した。

論文

等温水平管内の複合対流による逆流域の数値解析と可視化実験

坂本 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

可視化情報学会誌, 16(63), p.253 - 257, 1996/10

水平正方形等温加熱管における複合対流場の温度助走域に発生する逆流現象および加熱管内部の流れの可視化実験を行った。同時に物性値の温度依存性を考慮した3次元楕円形数値解析を行い可視化実験との対比を行った。作動流体に水を用い、可視化試薬にウラニンとローダミンBを用いた。レイノズル数が21~735、加熱壁面温度と入口温度の差が4.3~23.9の範囲で実験を行った。実験により加熱開始点上壁近傍に発生するはく離泡の断面構造、および内部の流動状態を明瞭に可視化することできた。これらの結果は計算によって得られた流線と極めて良い一致を示し、はく離泡内の3次元的な流れ構造を実験、計算の両面から裏付けることができた。また、はく離泡長さはレイノルズ数の低下と共に非線形的に増大し、流量変化に高い追従性を示すことが明らかとなった。

論文

物性値の温度依存性を考慮した浮力流れの数値解析

坂元 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

Therm. Sci. Eng., 4(3), p.17 - 25, 1996/00

正方形容器内の空気流れを解析対象として、ブシネ近似を用いずに基礎式の全ての項で密度変化を考慮し、かつ物性値の温度依存性も考慮した式(以下NB式と表す)を用いて自然対流の2次元数値解析を行った。その結果、以下の結論を得た。(1)密度のみならず動粘度と熱伝導率に温度依存性を考慮した場合、冷却壁近傍の運動量が増加し、熱流動場が非対称な分布を示す。(2)密度の局所的な変化を考慮することによる熱伝達への影響は少ない。これに対して動粘度、熱伝導率の温度依存性はNuを加熱壁で減少、冷却壁で増加させ、熱伝達に大きな影響を及ぼす。(3)ブシネ近似を用いても、物性値の温度依存性を考慮すると、NB式に近い結果が得られる。(4)NB式から求まるNuと、物性値の温度依存性を考慮せずにブシネ近似を用いた場合のNuを比較し、その差を定量的に明らかにした。

論文

側壁が加熱・冷却される水平正方形流路内の複合対流熱伝達に関する三次元数値解析

坂元 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

日本機械学会論文集,B, 61(586), p.2228 - 2234, 1995/06

比較的低いレイノルズ数域における層流複合対流では、熱的境界条件の不均一性や浮力の影響が大きい場合に、流れが3次元的な挙動を示すことが予想される。特に、温度助走域での複合対流特有の複雑な伝熱流動状態を解明することが本研究の命題であり、前報までに等温水平管に関する熱流動機構の解明に成功した。本研究では、側壁温度が異なる水平正方形流路の複合対流伝達について大規模3次元数値解析を実施し、主流と浮力駆動2次流れの干渉により生ずるスパイラル流れの発生と、加熱開始点近傍に出現した複数のはくり泡の発生について報告するとともに、管内圧力勾配の変化や熱伝達特性について、Gr/Re$$^{2}$$パラメータの依存性を検討した。前報と今回の結果から、層流複合対流における温度助走域に発現する複雑な3次元的逆流現象は、高Gr/Re$$^{2}$$パラメータ域における基本的な熱流動機構と考えられる。

論文

等温水平管内の非定常複合対流特性

坂元 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.633 - 634, 1995/05

水を作動流体とした水平正方形流路の複合対流熱伝達について、物性値の温度依存性を考慮した3次元楕円形非定常数値解析を行い、温度助走域における伝熱流動特性について検討した。壁面は等温加熱条件で、上壁のみ断熱とした。計算手法にSIMPLE法を用い、対流項にQUICKを用いた。水は物性値や無次元数が基準温度レベルに大きく依存するため、熱伝導率、動粘度、体膨張率の温度依存性を考慮した。時間変化に伴う不安定成層からのサーマルプリューム成長過程を捉え、それによる熱輸送機構を定性的に明らかにした。また、プリューム下流に形成される低温領域が熱伝達に及ぼす影響を示し、作動流体が空気の場合とヌセルト数を比較検討した。

論文

感温液晶による温度計測の高速化

秋野 詔夫; 一宮 浩市*; 森本 俊一*; 久保 真治; 鷺谷 昭二郎*; 中西 真行*

第32回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.307 - 308, 1995/05

感温液晶は、温度により様々な色彩を提示するので、リアルタイムに温度分布を可視化計測する用途に最近よく利用されている。本報告は、高速で変化する温度場を感温液晶で計測することを目的として、光・色彩計測の高速化を試みた結果について述べるものである。まず、液晶の分光反射率を測定し、そのデータを用いて高速光センサーの出力特性を予測計算した。その結果より、異なった分光感度特性を有する2種のアバランシェフォトダイオードの出力の比が、広い温度範囲で温度と良い相関を有することを見出した。次いで、実際的に確認実験を行い、従来の方法と較べて広い温度範囲で精度良く温度測定ができることを示した。

論文

狭あい流路内における平面乱流衝突噴流熱伝達の数値解析

功刀 資彰; 横峯 健彦*; 一宮 浩市*

日本機械学会論文集,B, 60(573), p.1751 - 1757, 1994/05

乱流衝突噴流の実験的・解析的研究は数多く行われているが、その重要な特性の一つである衝突面上の局所熱伝達率分布の第2ピークの成因については、それほど明確にされていない。本研究では、狭隘流路内の平面乱流衝突噴流伝達を対象として、低レイノルズ数型非等方$$kappa$$-$$varepsilon$$乱流モデルを用いた数値解析を実施し、局所熱伝達分布の第2ピークの予測に成功するとともに、その成因について乱流熱輸送の面から明らかにした。また、本研究対象のような強い非等方性を有する流れ場の乱流解析には、乱流の非等方モデリングと同時に壁近傍の低レイノルズ数効果を考慮する必要のあることが示された。

論文

等温加熱下の複合対流熱伝達に関する数値解析

功刀 資彰; 一宮 浩市*; 坂元 美定*

日本機械学会論文集,B, 60(572), p.1393 - 1400, 1994/04

最近の微細加工技術の進展は、熱機器の小型化を促進し、特に電子機器などでは集積度を高めて高機能・高性能化を図ることが可能となって来た。従来の機器は、比較的寸法が大きく、伝熱設計を行う場合には、いわゆる強制対流域の特性が重要であった。しかし、機器の寸法が小さくなると、流れを支配するパラメータであるレイノルズ数:Re=UL/$$nu$$(U:代表速度、L:代表寸法、$$nu$$:動粘度)はL$$rightarrow$$小でRe$$rightarrow$$小となり、強制対流による除熱が有効でなくなる領域を扱う必要が出て来る。この領域では複合対流特性をいかに制御するかがポイントとなる。本研究は、矩形流路の全壁面を一定温度(局所熱流束は非一様)として層流複合対流の熱流動特性を非定常3次元熱流体数値解析で検討したものである。自然対流効果が強くなるに従ってはく離流れを伴う3次元的流動状態となり、伝熱特性も大きく変化することが分かった。

論文

感温液晶の応答性に関する研究,1; 定常測定

秋野 詔夫; 久保 真治; 森本 俊一*; 一宮 浩市*; 鷺谷 昭二郎*; 中西 真行*

第31回日本伝熱シンポジウム講演論文集, 0, p.370 - 372, 1994/00

感温液晶は温度に応じて色彩を変化させるため、最近よく伝熱研究に応用されている。しかし、感温液晶の応答性を測定した例は少なく、その殆どは定常状態での利用である。本研究は高速測定用に液晶膜サンプルを試作し、まず定常状態での特性を明らかにしたものである。実験に用いた液晶は、マイクロカプセル化したもので、コレステリック液晶2種とカイラルネマチック液晶2種である。いずれの液晶も約30$$^{circ}$$Cで発色するものである。温度に応じて変化した液晶からの反射光を分光計を用いて測定した。その分光スペクトルから光の強度が最大となる波長と半値幅を求めた。更に、XYZ表色系により色を定量化し、液晶の呈する色と温度の相関を調べた。光の強度が最大となる波長と色相値は温度との相関が強く、スプライン関数を用いて温度にあてはめることができた。温度の上げ下げを行うことでヒステリシスがないことを確認した。

論文

側壁が加熱・冷却される水平正方形流路内の複合対流熱伝達

坂元 美定*; 功刀 資彰; 一宮 浩市*

日本機械学会第7回計算力学講演会講演論文集, 0, p.436 - 437, 1994/00

比較的低いレイノルズ数域での層流複合対流下では、熱的境界条件の不均一性や浮力の影響が大きい場合に、流れが3次元的な挙動を示すことが予想される。特に、温度助走域での複合対流特有の複雑な伝熱流動状態を解明することが本研究の命題であり、これまでに等温水平管に関する熱流動機構の解明に成功した。本研究では、側壁温度が異なる水平正方形流路の複合対流熱伝達について大規模3次元数値解析を実施し、主流と浮力駆動2次流れの干渉により生じるスパイラル流れの発生と加熱開始点近傍に発現したはく離流れについて報告する。

論文

Effects of three dimensional flow separation due to non-uniform heating on laminar mixed convection in a square channel

功刀 資彰; 一宮 浩市*; 坂元 美定*

Proc. of 10th Int. Heat Transfer Conf., 0, p.501 - 506, 1994/00

最近の技術進展は目ざましく、多くの微小で複雑な機器(例えば、電子機器等)装置サイズの小型化は、機器からの除熱手法としてのConventionalな強制対流を無力化させる(すなわち、流れの代表寸法が小さくなり、Reynolds数が低下するため、伝熱に有効な乱流域の流れから層流域の流れが主となることによる。)。この様な流れ場では、自然対流効果を利用した複合(共存)対流による伝熱促進及び制御が重要となる。本研究では、壁面の局所熱流束が非一様となる場合の矩形流路内共存対流を3次元非定常N-S方程式を用いて数値シミュレーションし、自然対流効果によって3次元的なはく離流れの生ずること及びこれが流路閉塞効果となって、圧力損失の増大及び熱伝達の局所的促進/低下効果をもたらすことを明らかにした。

論文

逆流を伴う等温水平正方形流路内の層流複合対流熱伝達

功刀 資彰; 坂元 美定*; 一宮 浩市*

Therm. Sci. Eng., 2(3), p.9 - 17, 1994/00

著者らは、前報で等温水平正方形管内の空気流に対し、Gr/Re$$^{2}$$の比較的大きな加熱(流体-壁間の温度差が大きい)パラメータ域における大規模な3次元楕円形解析を行い、加熱開始点近傍の流路上壁に逆流域(はく離泡)の発生を見出し、これによる流路閉塞効果及び上流側に取付けた断熱助走路の加熱端より上流側への逆流域の遡上(はく離泡の拡大)を報告した。本報告では以上の解析結果を基に、2次流れ及びはく離泡の伝熱促進効果と流路閉塞(圧損増大)効果に着目して、等温水平正方形管の層流複合対流熱伝達特性を総合的に検討した。その結果、Gr/Re$$^{2}$$=20以上の範囲において流路上壁に生ずる浮力駆動型逆流域(はく離泡)の発生機構を解明した。また、2次流れの3次元構造と熱伝達の相互関係について検討し、自然対流による伝熱性能の向上、逆流発生に起因する伝熱性能の鈍化、最適条件の存在が明らかとなった。

論文

感温液晶の色彩温度特性; 温度こう配と観測角度の影響

秋野 詔夫; 一宮 浩市*; 那須 敏行*; 藁科 博章*; 功刀 資彰

日本機械学会論文集,C, 59(557), p.100 - 104, 1993/01

感温液晶は温度に応じて色彩を変えるので、それで物体表面を覆うと、温度分布が色彩分布として可視化できる。著者らは、画像処理技術を応用して、色彩分布から温度分布を定量計測する技術を開発してきた。本論文は、温度勾配響、及び、観察角度の影響を実験的に検討したものである。直線的温度分布を作り得る校正板に感温液晶シートを接着しテレビカメラと色分解フィルターを組み合わせた測定装置を用いて、種々の温度勾配で温度分布を測定した。温度勾配と誤差の間の小さな線形関係を見いだした。この関係で補正を加えると、最大誤差が0.25$$^{circ}$$C以下となること、温度勾配が0.2$$^{circ}$$C/mm以下では誤差が$$pm$$0.1$$^{circ}$$C以内であることを明らかにした。次いで一定温度面に液晶シートを接着し、テレビカメラの位置を変えて測定し、観察方向と測定温度の関係を検討した。観測角度が5度以内では誤差は0.1$$^{circ}$$C以内となり無視しうることを明らかにした。

論文

Numerical and experimental study on heat transfer of an impinging turbulent plane jet with confined wall

功刀 資彰; 横峯 健彦*; 一宮 浩市*

Heat Transfer in Turbulent Flows, 1993; HTD-Vol. 246, p.25 - 31, 1993/00

乱流衝突噴流の実験的及び解析的研究は、古くから数多くなされているが、そのほとんどは、衝突壁への自由噴流衝突に関するものであり、本研究で対象としている狭隘流路内における衝突噴流熱伝達に関する報告は極めて少ない。本報では、狭隘流路内における平面乱流噴流の衝突熱伝達を実験的に調べ、その伝熱流動特性を非等方k-$$varepsilon$$乱流モデルを用いて数値解析により明らかにした。

論文

流路内の単一角柱スペーサ周辺の伝熱流動に関する数値解析; 層流状態の場合

一宮 浩市*; 功刀 資彰; 秋野 詔夫; 新開 修二*

日本機械学会論文集,B, 58(554), p.3147 - 3152, 1992/10

高温ガス炉の燃料要素内の冷却材環状流路は非常に狭く、その空間を維持するためにスペーサが設置されている。著者らは、スペーサが周囲の伝熱流動にいかなる影響を及ぼすかを実験的に検討してきた。本報では、平行平板流路内に設置された正方形断面の角柱スペーサによる伝熱流動特性を層流状態で数値的に検討したものである。

論文

Evaluation of heat conduction and visualization of heat flux in a plate making use of heat transfer experiments

功刀 資彰; 秋野 詔夫; 一宮 浩市*; 高木 一郎*

Experimental Thermal and Fluid Science, 4, p.448 - 451, 1991/00

 被引用回数:3 パーセンタイル:64.63(Thermodynamics)

伝熱実験における基板内熱伝導による局所熱流束の評価方法とこの局所熱流束の可視化について記述された論文である。まず、平行平板流路内に設置された伝熱面温度分布を、著者らが開発した感温液晶を用いた高解像度サーモカメラシステムで可視化・計測(分解能0.01$$^{circ}$$C)し、得られた稠密な温度分布を伝熱面基板上の境界面温度として3次元熱伝導数値解析を実施した。その結果、伝熱面上の局所温度分布に対応した伝熱面基板内の偏差熱流束が求められ、この偏差熱流束の可視化が可能となった。

論文

Improved liquid-crystal thermometry excluding human color sensation, Part1; Concept and Calibration

秋野 詔夫; 功刀 資彰; 一宮 浩市*; 光城 光二*; 上田 正昭*

J.Heat Transfer, 111, p.558 - 565, 1989/05

 被引用回数:30 パーセンタイル:11.66(Thermodynamics)

感温液晶による温度場の可視化は視覚によって温度分布の全体像を把握することができるため極めて有効な方法であるが、人間の色彩感覚が介在するため、精度の良い定量的計測や自動化はこれまで行われていなかった。著者らは、液晶の散乱反射光を透過波長帯の極めて狭い干渉フィルターによって分光し、液晶分布中から等波長領域を取り出すことによって、種々の波長に対する等温度場を決定する方法、即ち、狭帯域フィルター法を開発し、画像処理による等温線の検出に成功した。本報告は、狭帯域フィルター法の原理と校正結果及び画像処理技術を用いた等温線検出方法について述べたものである。

論文

液晶測温法の自動化と可視化への応用

秋野 詔夫; 功刀 資彰; 一宮 浩市*; 高木 一郎*; 上田 正治*; 黒沢 昭*

流れ可視化, 7(26), p.101 - 104, 1987/00

液晶測温法は温度分布を色彩分布に変換するため、温度分布の全体像の把握に優れたユニークな測定方法である。本報告は液晶測温法を自動化するために実用化した二つの方法について述べ、応用例を示したものである。第1の自動化方法は、極めて透過帯域の狭い光学フィルターを用いて等色=等温線を取り出す「狭帯域フィルター法」である。第2の方法は、3原色光学フィルターで色成分を取り出し回帰式によって温度を算出する。「RGB回帰式法」である。応用としては、スペーサリブ等の突起物が伝熱面温度分布に与える影響を測定し、等温線図を求めた結果等について述べたものである。

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