第 3 章 安定温度成層域における冷噴流の拡散挙動
4.2 沈降深度に関する実験的検討
4.2.2 実験結果
図 4-2〜図 4-5 は，冷噴流の拡散状況を撮影した写真である．それぞれ Case1A,
Case1B, Case2A, Case3Aの実験条件のものである．これらの写真は， x*-y*平面に垂直な 方向から撮影したものであり，一例として t=1500 の時点での様子を示す．紙面の都合 により各時刻における写真は省略するが，各ケースとも放出開始後t=300を過ぎてから は大きな変化は見られず，ほぼ定常状態に達しているものと考えられる．
図 4-2はCase1A（基本条件）での冷噴流拡散の様子で，目盛はx*-y*方向ともに0.2 m 間隔となっている．左端のx*=0 m，y*=0 mに設置された円形ノズルから冷噴流を連続 的に放出しており，フェノールフタレインにより濃く見える部分が冷噴流の拡散範囲を 示している．x*=0~0.2 mの放流口近傍では，冷噴流と周辺温度との温度差の影響により 下方に拡散するが，x*=0.2~0.4 m付近では温度成層の影響を受けて，オーバーシュート 現象によるリバウンド流れ9)が現れている．x*=0.5 m以降では，冷噴流と周辺の温度差 がなくなるため一定水深で水平方向に拡散している．本研究では，このように冷噴流が 水平拡散している層の中心部の水深を沈降深度Dp*(Penetration depth)と呼ぶこととする．
なお本ケースの場合，沈降深度は0.206 mであった．
図 4-3は，Case1Bの冷噴流拡散の様子である．温度勾配が基本条件に比べ2倍とな
っている．温度成層が強くなることで鉛直方向の拡散が抑制され，沈降深度における拡 散した冷噴流の層厚が薄くなっている．また，沈降深度は0.167 mとなっており，基本 条件に比べ小さくなっている．
図 4-4 は，Case2A の冷噴流拡散の様子である．放出温度が基本条件に比べ 10 ℃高
くなっている．そのため，放流口近傍での温度差が小さくなることで下向き浮力の影響 が減るため，沈降深度が0.118 mとなっている．
図 4-5は，Case3A の冷噴流拡散の様子である．放出速度が基本条件に比べ半分にな
っている．そのため，放出時の水平運動量流束が小さくなり，温度差による沈み込みが 放流口に近い位置で起こっている．なお，沈降深度は0.244 mとなっている．
図 4-6は，全10ケースの沈降深度をグラフに示したものである．
放出条件が同じ場合，即ち放出内部フルード数が同じ場合は，温度成層が強くなるほど 沈降深度が小さくなっている．放出温度に着目した場合，白抜き記号で示す放出温度 10 ℃の 6 ケースと塗りつぶし記号で示す放出温度20 ℃の4 ケースを比較すると，沈 降深度に2倍程度の差が現れている．一方，放出速度による沈降深度の違いは僅かであ り，有意な差は現れているとはいえない．
以上の比較により，沈降深度に影響を与える要因は，冷噴流の放出温度と温度成層の 状態であることがわかった．一方，放出速度は，沈降するまでの水平距離には関係する ものの，沈降深度に及ぼす影響は小さいことがわかった．なお，本現象の長さスケール は放出ノズルの管径により与えられるものである．
図 4-2 温度成層場における冷噴流拡散の様子 (Case1A)
図 4-3 温度成層場における冷噴流拡散の様子 (Case1B) 0
0.2
-0.2
-0.4
y* m
0
x* m
0.2 0.4 0.6 0.8
Penetration depth Discharging Nozzle
Penetration depth Discharging Nozzle
0
x* m
0.2 0.4 0.6 0.8
0 0.2
-0.2
-0.4
y* m
図 4-4 温度成層場における冷噴流拡散の様子 (Case2A)
図 4-5 温度成層場における冷噴流拡散の様子 (Case3A) Penetration depth
Penetration depth Discharging Nozzle
Discharging Nozzle 0
x* m
0.2 0.4 0.6 0.8
0
x* m
0.2 0.4 0.6 0.8
0 0.2
-0.2
-0.4
y* m
0 0.2
-0.2
-0.4
y* m
図 4-6 沈降深度と温度勾配の関係（実験結果）
0.24m
0.15m 0.14m
0.09m 0.21m
0.17m
0.12m
0.08m 0.21m
0.17m
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
0.0 0.1 0.2 0.3
dTe*/dy* [℃/cm]
Dp* [m]
Fri=1.9 Fri=3.0 Fri=3.9 Fri=6.0 Fri=7.8
Tin*
=10℃，uin*
=0.05 m/s Tin*
=20℃，uin*
=0.05 m/s Tin*=10℃，uin*=0.10 m/s Tin*=20℃，uin*=0.10 m/s Tin*
=10℃，uin*
=0.20 m/s