粗さ壁面の乱流熱伝達の革新的予測モデルの開発と伝熱制御に関する新展開

粗糙壁湍流传热创新预测模型的开发以及传热控制的新进展

• 批准号: 21H01266
• 负责人: 桑田 祐丞
• 金额: $ 10.9万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022-2023)Osaka Prefecture University (2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• 财政年份: 2021
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2021-04-01 至 2026-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-21H01266/
• 关键词: 乱流熱伝達; 粗面乱流; 格子ボルツマン法; 感温性塗料; 直接数値解析; 乱流; 数値流体力学; 対流; 伝熱機器

本年度は，正弦波粗面の乱流熱伝達を対象として，格子ボルツマン法による直接数値解析を行い，粗面の表面積が乱流熱伝達に与える影響を調査した．具体的には，3次元の等方・非等方の正弦波粗面を対象に，粗面の表面積とレイノルズ数を系統的に変化させて解析を実施し，速度粗さ関数，温度粗さ関数，レイノルズアナロジファクタ，乱流量分布のスケーリングに関する議論を行った．その結果，温度粗さ関数は粗さレイノルズ数以外に，粗面の表面積の影響を強く受けることが確認された．粗面の表面積が増加すると，同じ摩擦レイノルズ数条件であっても，温度粗さ関数が大きな値をとることが確認された．そこで，従来の温度粗さ関数の予測式に，表面積に関する粗さパラメータを導入することで，温度粗さ関数の予測式の精度を向上させることができることを明らかにした．また，粗面の壁面摩擦係数とスタントン数との比で表されるレイノルズアナロジファクタは，表面積が大きな粗面で大きくなることが分った．つまり，表面積の大きな粗面は少ない流動抵抗増で高い熱伝達性能を有することが明らかになった．また，本年度は昨年度に作成した風洞装置を用いて，壁面の乱流熱伝達計測実験の精度検証を進めた．具体的には，過去の実験や数値解析データが豊富な平滑面を対象として，平滑面の乱流熱伝達計測実験を行った．風洞装置には薄膜ニクロムメッキと温度に応じて発光強度が変化する感温性塗料を塗布した滑面を挿入し，等熱流束された加熱滑面の表面温度の計測を行った．感温性塗料が塗布された面に，青色光を照射し，塗料面をカメラで撮影した．撮影画像を処理することによって発光強度を取得し，発光強度分布から温度分布へと変換した．計測結果は既往の文献式とよく対応することが確認され，おおむね妥当な結果が得られることが確認された．しかし，文献との平均誤差は10％程度あり，精度に関しては課題が残された．

今年，我们利用格子玻尔兹曼方法对正弦粗糙表面上的湍流传热进行了直接数值分析，研究了粗糙表面的表面积对湍流传热的影响。具体来说，我们通过系统地改变表面积和雷诺数来分析三维各向同性和各向异性正弦粗糙表面，并计算速度粗糙度函数、温度粗糙度。我们讨论了函数的缩放、雷诺类比因子和湍流分布。结果证实，除了粗糙度雷诺数之外，温度粗糙度函数还受到粗糙表面表面积的强烈影响。经证实，即使在相同的摩擦雷诺数条件下，随着粗糙表面表面积的增加，温度粗糙度函数也呈现更大的值。因此，我们明确在传统的温度粗糙度函数预测公式中引入与表面积相关的粗糙度参数，可以提高温度粗糙度函数预测公式的准确性。此外，雷诺类比因子（表示为粗糙表面的壁摩擦系数与斯坦顿数之比）对于表面积较大的粗糙表面来说也较大。即，可知表面积大的粗糙面的传热性能高，且流动阻力的增加少。此外，今年我们还使用去年制造的风洞设备来验证墙体湍流传热测量实验的准确性。具体来说，我们进行了测量光滑表面上的湍流传热的实验，这方面有丰富的过去的实验和数值分析数据。将涂有薄镍铬合金镀层和发射强度随温度变化的热敏涂料的光滑表面插入风洞装置中，并在均匀的热通量下测量加热的光滑表面的表面温度。用蓝光照射涂有感温涂料的表面，并用相机对涂漆表面进行拍照。通过对拍摄的图像进行处理得到发光强度，并将发光强度分布转换为温度分布。经证实，测量结果与现有文献公式吻合较好，能够得到普遍有效的结果。然而，文献中的平均误差约为 10%，准确性存在问题。

项目成果

Effect of the surface morphology on rough wall turbulence

表面形态对粗糙壁湍流的影响

• 发表时间: 2022
• 作者: Yoshiki Yamamoto;Shinya Tabata;Yusuke Kuwata;Kazuhiko Suga
• 通讯作者: Kazuhiko Suga

Dissimilar turbulent heat transfer enhancement by Kelvin-Helmholtz rollers over high-aspect-ratio longitudinal ribs

通过开尔文-亥姆霍兹滚子在高纵横比纵向肋上增强异种湍流传热

• DOI: 10.1017/jfm.2022.915
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of Fluid Mechanics
• 影响因子: 3.7
• 作者: Kohei Aono;Manabu Aoyagi;Chihiro Inoue;Y. Kuwata
• 通讯作者: Y. Kuwata

波長の異なる三次元正弦波粗面の乱流熱伝達スケーリングに関する直接数値解析

不同波长三维正弦粗糙表面湍流传热结垢直接数值分析

• 发表时间: 2022
• 作者: 矢ヶ崎 航;名倉 梨花;桑田 祐丞;須賀 一彦
• 通讯作者: 須賀 一彦

Reynolds number dependence of turbulent heat transfer over irregular rough surfaces

不规则粗糙表面上湍流传热的雷诺数依赖性

• DOI: 10.1063/5.0090062
• 发表时间: 2022
• 期刊: Physics of Fluids
• 影响因子: 4.6
• 作者: Taro Kimura;Chihiro Inoue;Y. Kuwata
• 通讯作者: Y. Kuwata

Scaling of the roughness effects in turbulent flows over systematically-varied irregular rough surfaces

• DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2023.109130
• 发表时间: 2023-06
• 期刊: International Journal of Heat and Fluid Flow
• 影响因子: 2.6
• 作者: Y. Kuwata;Y. Yamamoto;S. Tabata;K. Suga