マランゴニ対流の不安定性とその温度境界条件への感受性に関する研究

马兰戈尼对流不稳定性及其对温度边界条件的敏感性研究

基本信息

批准号：
04F04083
负责人：
西野耕一
金额：
$ 1.54万
依托单位：
Yokohama National University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2004
资助国家：
日本
起止时间：
2004 至 2005
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究は、温度差を有するロッド間に形成される液柱に生じる温度差駆動の表面張力流(マランゴニ対流)を対象として、その熱対流不安定性を数値シミュレーションによって明らかにすることを目的とする。特に、気液界面での温度境界条件の影響に着目し、液柱内部の対流と周囲気体流動とを連成させた数値解析を実施することにより、実験的に明らかにされつつある表面張力流不安定性の温度境界条件への鋭敏な感受性を明らかにすることを目的とする。ロッド直径は5mm、ロッド間隔は2.5mm、作動流体は5cStのシリコーンオイルである。得られた研究成果は次の通りである。(1)数値解析方法の確立:有限体積法に基づく数値解析方法を採用し、計算格子依存性、自由流入流出境界条件の影響、物性値の温度依存性などを検討した。過去に行われた周囲気体流動の速度場・温度場の計測結果と比較することにより、数値解析結果の妥当性を確認した。(2)周囲気体流動が熱損失に与える影響の評価:周囲気体流動の影響を検討するため、仕切り板の有無と重力の有無を組み合わせた4つの条件について数値解析を実施し、液柱内部と周囲気体の速度場・温度場を明らかにすると共に、気液界面における熱移動(熱損失or熱入力)の大きさを定量化した。その結果、通常重力下で仕切り板によって周囲気体流動を抑制すると熱移動が減少し、微小重力下におけるそれとほぼ等しくなることを見出した。このことは仕切り板を用いた地上実験が微小重力実験の良いシミュレーションになることを意味する。(3)表面張力流不安定性の発現条件の実験的検討:仕切り板を設置した地上実験において表面張力流不安定性が発現するロッド間温度差を実験的に調べた。液柱体積比を0.8〜1.1の範囲で変化させてデータを取得した。その結果、仕切り板を設置することによって臨界温度差が上昇し、表面張力流が安定化することを明らかにした。

本研究的目的是通过数值模拟阐明在具有温差的棒之间的液柱中发生的温差驱动的表面张力流（马兰戈尼对流）的热对流不稳定性。我们特别关注气液界面温度边界条件的影响，并进行了液柱内部对流与周围气流耦合的数值分析，目的是阐明不稳定性对温度边界的敏感性。状况。杆直径为5mm，杆间距为2.5mm，工作液为5cSt硅油。得到的研究结果如下。 (1)数值分析方法的建立：采用基于有限体积法的数值分析方法，研究了计算网格依赖性、自由流入流出边界条件的影响、物性的温度依赖性等。通过与过去的环境气流速度场和温度场测量结果进行比较，证实了数值分析结果的有效性。 (2)环境气体流量对热损失的影响的评价：为了研究环境气体流量的影响，在有/无隔板和有/无重力We的四种条件下进行数值分析。阐明了周围气体的速度和温度场，并量化了气液界面处的传热量（热损失或热输入）。结果，我们发现，在常重力下，当环境气流受到隔板抑制时，传热减少并几乎等于微重力下的传热。这意味着使用隔板的地面实验可以很好地模拟微重力实验。 (3)表面张力流不稳定发生条件的实验研究：在地面实验中使用隔板对表面张力流不稳定发生时棒之间的温度差进行了实验研究。通过在0.8至1.1的范围内改变液柱体积比来获取数据。结果表明，安装隔板会增加临界温差并稳定表面张力流。