マイクロスケール熱流動科学の数値解析的研究

微尺度热流体科学数值分析研究

基本信息

批准号：
12750159
负责人：
岩井裕
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Kyoto University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Encouragement of Young Scientists (A)
财政年份：
2000
资助国家：
日本
起止时间：
2000 至 2001
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は将来のマイクロ熱交換器を念頭におき,流れがすべり流となるようなマイクロスケールにおける熱流動場について数値解析的手法を用いて検討し,マイクロ熱流動現象の基礎的知見を得ることを目的としている.前年度には支配方程式に境界層近似を施すことで得られる放物型偏微分方程式を数値的に解く計算プログラムを作成したが,本年度にはこれをさらに改良し,マイクロスケール流れにおける粘性消散の影響について検討した.その結果,マイクロスケールでは,流れが層流となるような充分に低いレイノルズ数域であっても流速は大きいため,壁面近傍における速度勾配が非常に大きくなることから,粘性消散の影響により断面内の温度分布が非一様となることがわかった.またやはり前年度に作成した,境界層近似を施さず支配方程式の楕円型微分方程式を数値的に解く計算プログラムを利用し,マイクロスケールノズルを対象に,これまで検討された例が少ないマイクロスケール流路の入口効果についての検討を行った.その結果,ノズル入口部において流体の加速と流れのはく離によって大きな圧力損失が生じ,それに付随して流体温度もこの位置で急激に低下することなどがわかった.さらに差分法による直接数値解析(DNS)プログラムを用いて壁面にすべり境界条件を課したチャネル乱流の計算を行った.この計算では,流路の代表長さが数ミリ程度でありその意味ではマイクロスケール流れとは呼べないものの,壁面の表面粗さを代表長さとするクヌッセン数が大きいような場合を想定している.このような場合の壁面境界条件についての確固とした知見は得られていないが,本計算ではそのモデルとしてすべり境界条件を適用したものである.その結果,壁面すべり速度が大きくなると,壁面近傍における主流方向とスパン方向の乱れ強さはともに大きくなることなどがわかった.

考虑到未来的微型热交换器，这项研究旨在研究微观尺度上的热流场，其中流动使用数值分析方法成为滑动流，并获得微热流量现象的基本知识。在上一年中，创建了一个计算程序来通过将边界层近似值应用于管理方程来求解抛物线偏微分方程。在今年，该程序得到了进一步的改进，并检查了微观流动中粘性耗散的影响。结果，发现，在微观上，即使在足够低的雷诺数区域中，流速度也很大，在该区域中流动流动流动，并且壁附近的速度梯度变得非常大，从而导致交叉截面不一致的粘性耗散的作用。此外，使用上一年创建的计算程序，该程序在不应用边界层近似的情况下求解了管理方程的椭圆形差分方程，我们已经使用计算程序来用于微观的喷嘴求解椭圆形差分方程的椭圆形差分方程，而无需应用边界层的程序，而无需应用计算程序，并且我们不使用计算程序。我们研究了很少研究的微观流动通道的入口效应。结果，发现流体的加速度和喷嘴入口的流动分离导致了巨大的压力损失，并且流体温度也突然在该位置下降。此外，使用差分方法使用直接数值分析（DNS）程序，使用施加在壁上的滑动边界条件计算通道湍流。在此计算中，流通道的代表长度约为几毫米。尽管从这个意义上讲，它不能称为显微镜流，但假定Knussen数字是壁表面粗糙度的代表长度。尽管在这种情况下没有关于壁边界条件的坚实知识，但该计算将滑动边界条件作为模型。结果，发现当壁表面滑动速度增加时，主流的湍流强度和壁表面附近的跨度方向增加。