• 検索結果がありません。

強制対流中におかれた湿面の温度境界層

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

シェア "強制対流中におかれた湿面の温度境界層"

Copied!
8
0
0

読み込み中.... (全文を見る)

全文

(1)Title. 強制対流中におかれた湿面の温度境界層. Author(s). 諸橋, 清一. Citation. 北海道学芸大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 15(1) : 37-43. Issue Date. 1964-07. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/5690. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道学芸大学紀要(第2部A). 第15巻 第1号. 昭和39年7月. 強制対流中におかれた 湿面の温度境界層. 諸. 橋. 清. 北海道学芸大学旭川分校物理教室 r Se i i t Surface 】 エ ー aI Boundary Layer 。n a vve - chi MEOROHASH.: Ther in the Forced Convect ion Depar i ikawa Branch ido Gakuge iUn iver i tmentofPhys ty cs s ,Asah ,H0kka. Recently we have constnIct l wind tunnel i fafan sc rculated by meanso ed a smal , Air i. dr iven by a l led by a speed changer / rol , 2 h,p, , A.C, motor and cont. Theairvelocity wasvariedfrom 3 to 9 けりsec and airtemperature was maintained at300C. Exper iment ion o f waterinto airstream were performedin a duct40×40cm2 s on the evaporat . The teml ibut ions in the boundary 1ayer on the Wet surface Were measured, )erature dist r. From the resul ly asfunct ions t s ckness i s expressed graphi cal ,the thermal boundary layer thi. of the Reynolds numbers,. 1,. 言. 緒. 一様な空気流の中におかれた平板の熱伝達は等温流の条件の下で理論, 実験共数多く研究されて きたが, 平板面か ら気流中へ物質移動が起り更に気流と平板表面との間に温度差があ って物質拡散. と熱伝達とが共 存する問題は現在多くの分野で研究されている.. 平らな水面が空気流中におかれているとき, 蒸発量や 熱伝達率を決めるために水面 上の密度と温 度の分布並びに表面上のそれぞれの勾配を知ることが必要である, 筆者の実験では水面の代りに癒 紙に水を含ませたものを使用 し, 表面に垂直方向の温度分布を測定 して温度境界層厚さを求め風速. との関係を調べた. 今回の実験に先立ちゲッチソゲソ型風洞を新たに設計 して実験は風洞内部で行 な っ た.. 試作風洞の構造, 性能をも合わせて述 べることにする, 風洞の設計は筆者が企画したが, 製作に 当っては北海道立林業指導所の小野寺重男氏の御世話になり, 面倒な製作作業は同所の橋本博和,. 宮野博の両氏にお願いした. 記して謝意を表する次第である.. 2 , ゲッチ ンゲン型 風洞 の製作 ) 簡易な風洞を 自作したことがあるのでそれを基礎とし 今 先に乾湿球湿度計の常数の測定の際1 , , 回は測定部を開放せず風路を連結して 循環型のゲッチソゲソ風洞を製作 した. 又風洞の壁は特に断 熱 性 に 留 意 して あ る. 風 洞 の 概 略 を Fig ,1~Fig .3 に示す. 始めに床面に固定したアングルを10ヶ所以上に立てて支柱とし, それに風洞胴体部の壁を据えつ. けて い っ た. 壁 は 4 mm の 合 板 の 間 に 18 mm 厚 の 発 泡 性 ポ リ ス チ レ ン (S P 板) を サ ン ド イ ッ チ (37).

(3) . 強制対流中におかれた湿面の温度境界層 F i 9 .ー 風 洞 概. 略 図 (単位は mm) a. 変 速 機 お よ び モ ー ター. l 十 十 十 十 L F . 1 1 1 1 ー ↑. Fi g ,1「1 風 洞 平 面 図. ′断 面 図 Fi g .1一3 a-a. ′断 面 図 Fi g .1ー2 b-b. 十 . ~ ・ Fi g .1ー4 G 側 面. g .1-5 整流格子 . Fi. (38). 2 7 m m鉄板 ,. Fi g ,1ー6 案 内 翼.

(4) . 諸. 橋. 清. 一. も ≧ 圏露鯵やいノ ;審 議暮謙三誓 詞 ぎ そ ぎ孝 一、 謙 週響き灘鱗雲 連鱈 瞳愛さ 1. F i g .2 風洞のB~E側面. F i 9 .3 変速機とファン. 7 mm 厚 の 鉄 板 を 案 内 翼 と して 70 mm 間隔 状 に 入れ て あ る. Fig ,1-1 の A, B, F の 内部 に は 2 , で上下の壁にはめこんで固定 してある. C部 の 整 流 格 子 は 厚 紙 で Fig.1-4 の よ う に 作 り 奥 行 き は. にしてある. 測定部Eの内部断面は 40cm×40cm で ある. 内 部 の 気 温 調節 と して G, H に 赤 外 線 電球 を 入 れ リ レー と 結 ん で 30oC まで恒温を保つことができる. 一定温度で蒸発実験を行な. 15cm. うので室内の温度変化に影響されぬよう測定部の風路は閉 じる必要がある, 発泡性ポリスチ レンの 断熱r性が良いので一回の測定時間10~20分間の程度では 0.loC まで恒温を保つこ とができた, 風速 / は無段変速機 (島津, 1 l m/ sec 2HP) でファ ンの回転数を変えることによって 3~1o m/sec ま で 0 , 単 位 で 選 ぶ こ と が で きる.. 測定部断面内の風速分布を熱r電対風速計 (アネモマスター) で調べた結果は Tab ,1 である, 測 40cm ×40cm であ る か ら 壁 か ら 20cm 離れた点を中心として 気流 方向に垂直に上下 5 0mmの 幅では2%以内の誤差で風速が一様と見なされる から実験に供する平板はこの場所におけ. 定部断面が ばよし、 .. 温度分布の方は風路のほぼ全断面に亘って一様に保たれて おり, 湿度の点も自記毛髪湿度計で調. べたが室温の範囲で24時間に2~3%の変化に留まった.. Tab ) .1 測定部断面の風速垂直分布 (断面40x40cm2. 37 .5 cm 35 ,7. 2 ,52 nysec 2 ,64. 27 ,5. 2 ,64 2 .68 2 ,72. 4 ,75 4 ,66. 6 ,3 6 ,3. 2 ,72 2 ,74 2 ,72. 4 ,73 4 .73 4 .74. 6 ,3 6 ,3 6 ,1. 32 .5 30 ,O 万 ( U. 22 に ノ 20 ( = ) ”[ 「 ノ 15 ( = ) に っ ムノ ( (U U ,に 7 土ノ 屋 (フ = V ( に‘ノ. 4 ,6 叫sec 4 ,68 4 .75. 5 s e c ,9 m/ 5 ,9 6 ,4. 2 ,70 2 ,68. 4 .67 4 .74. 6 ,1 6 ,1. 2 ,68 2 ,68 2 ,68. 4 ,75 4 ,65 4 ,65. 6 ,1 6 ,2. 2 ,67 2 ,63 ′39) (. 4 ,55 4 ,35. 6 ,2 5 ,9 5 ,8.

(5) . 強制対流中におかれた湿面の温度境界層 温度分布測定の熱電対(上下、左右に移動できる). F i 9 .4 風洞内におかれた容器. 3 , 実験装置と方法 水面に平行に風を送った場合, 水面が波立 って平板面の条件を損うの で実験では Fig.4 の よう な 容器を樹脂 ガラスでつくり, その中に櫨 紙を入れ水を充分含ませて水面の代りとした. 水の含ませ 方が足りなかっ たり或は比較的長時間蒸発を続けた 場合は, 後述の考察にも述 べてあるが平らな水. 面ではなく なり, 湿った面又は 多孔性物質か らの水の蒸 発を測ることにな って しまう, 5cm は 流 線 状 に削 り 先 端 は 少 し円 味 ocm で 両 端 3 7cm, 幅 は 32 . . 容器の流れの 方向の長さは 62, をおびている. この容器を測定部の中心におき風速 3~9 m/sec の気流中で猿紙面に垂直な方向の 温度分布 を調 べた. 流れの方向に沿った櫨紙面の中心 線を基準とし前, 後端 50cm の 間 で 5cm 毎 の 点でそれ ぞれ面に垂直に l mm 毎 12 mm の高さまで熱電対で温度分布を測定した. 熱電対は銅 loC まで読取 った. 櫨紙面の 35 mm の も の を 使 用 し,電 位 差計 方 式 で 0 , - コ ソス タ ソ タ ソで 径 は 0 .. 表面温度は 中心の 一点で代表 し面上の 温度分布測 定用の熱電対は中心線に沿って前後, 上下に移動 さ せ う る よ う に して あ る.. 4 , 実験結果および考 察 風速毎に猿 紙面上の各点で温度分布を調 べ, 主流の温度に一致する点の高さ を そ の 点 で の 温 度 , レイ ノ ル ズ数 境界層厚さ 6 Lとし櫨紙面 の 前 端 よ り の 距 離を 尤 , 気流の速度を u, 動 粘 性 係 数 ジ i g .5 R。=u#/ン と した と き 無 次 元 化 した 劣/& と Re“ との関係を実験値から求めた. その結果を F に示す. 直線A, B, C は筆者の実験値で a , cは 温度境界層厚さの 代りに水蒸気密度分布を測 ,b 2 ) 定 して密度境界層の有効厚さ & を求めた上田 のものである. 筆者の直線Aと上田の直線aとは 全 く同一である. 上田の実験は室内で送風機の前に水で ぬらした幅紙を ガラス板に貼っておき, 微細 湿度計で櫨紙面 上の水蒸気密度の分布を測定 して 6 を求めている. 境 界層 の 厚 さ と して 筆 者 は 6u の値をとっている が 上田は 乱流境界層のときは 品 Fig. 6 で β u の代りに層流底層 6b を と っ て , t い る の で b, c の勾配は筆者の場合とは 違ったものとなる. 直線 A, aは境界層が層流を保つ場合. 乱流を表わす筆者の直線Bは で直線 B , cは乱流境界層になっているものと思われる. , C 或は b s c 以上の風速 の と き よ り ま e 特 に 風 速 が 4 m/ sec のときで直線Cと平行で境 界層内の乱れ が 4m/ ており & の値が大きくな て / 従 匁 っ だ小さく, & の厚さ がいく らか薄く っ ,風速が増すにつれ境界層 の乱れ が大きく & の 厚 さ も 増 し, 従 っ て 匁/& の 値 が 小 さく な っ て い る こ と が 言 え る, (40).

(6) . 諸. 橋. l. I. i Wi dve l t c n o c y m/se 0 3, O 0 □ 4.. . 9 △ 4.. l o o. 1. l X 6. 十 7. 0 f ● 8. ,. ノ. 他. 0 /β て t2. △. 〆+. / ′ /ノ. ′. r / ′ ′ ′ ′ ▼ ′ ノ /. / c/ ′ -. /. ′ ノb. / シ. A /a ノ 」 ′ ▼ ′′/ / OC □ ′ ′ 6】nロ ′′ 0 [ ] △ ▲ -豊 」タy ▲ r →登 i会 塾~ドヱ △‘ ・ .ハ Ir + ▲r▲ }〆 〉 .一 , /. ▲ 9 O .. ′′ ー′ O F / / □△. 一. 清. ー. B じ. 川. 『. 1. /. l. l 4. 4 0 6 81. 2. 5 4 6 81 0 . 2. 4. 6 8. F i cは無次元にしてある) 餌 との関係 (厚さ 品,6 g .5 境界層厚さと Re Tab .2 前端より25cm の点での境界層内の温度分布 風 速 m/sec 4 .9 6 .1 7 ,0 8 ,1 9 .0. l /n. Re 数. 5 ,1 5 .3. 4 7 ,52×10 4 9 ,41×10 5 1 ,09xl0 s 1 ,25xlo 5 1 ,39xl0. 5 ,5 4 ,1 5 ,1. 完全に発達した乱流境界層内の速度分布と温度分布の相似性を認めれを 次の形 に 温 度 分 布 が 決 ) まる3 。. w 但し空気主流の温度を お 物体表面, 境界層内の温度を t , tとし境界層内で 物 体 表 面 に 垂 直 )の形で表わし幕指数を調べたのが 1 方向の距離をy とする, 実験値から櫨 紙 面 上 の 温 度分布を( 1 Tab 5でこのことからB, Cの状態は未だ完全に発達した乱流境界層 では .2 である. 慕指数は大体/ が言える なく過渡状態にあること .b ,cに関 しても同様である.層流状態から乱流への遷 移領域が見 られないのは滑らかな平板とは違 って水を含んだ櫨紙面がいく らか波状を呈するのか, 又は容器の )でも遷移領境が見られ ぬ と して い l らの実験4 i s e 縁との境界面が平滑を欠いたのかも知れぬ, Ma 4と な っ て い て 風 速 が 増 4 そ れ 以 上 の 風 速 では 2×10 sec 付 近 では 4×10 る. 遷 移 Re 数 が 風 速 4m/ ,. すと遷移が早く始まっているが, 風洞実験の場合気流の乱れの度合が風速毎に変化していて, それ が遷移 Re数に影響することも考え られるが, 今回の実験では測定を実施することができなかった. )は風洞内 で容器内に水を含ませた櫨紙 遷移 Re 数は実験条件によ って多少の違いがあるが,山本5 4であ って乱流境界 75×10 を入れ水の蒸発量を秤量 して風速 と の 関 係を求めたが, 遷移 Re 数は4 , 6 ) Powe L i l l お よ び Gri伍ths7) 1 層 を表 わ す 実 験 値 は 一 本 の 直 線 に の っ て いる. Powel , ure お よ び , l l )等 が 水 や ベ ン ゾー ル を 使 っ て 蒸 発 量 を 求 め た 実 験 が あ l ) o ) Mi l l la ) Mi lo任8 i cha , 帆/ade , Pasqui , l.

(7) . 強制対流中におかれた湿面の温度境界層 る の で 参 考 と して Fi Dは 物質移 g .7 に 示 す. 横軸 の i. 気流. 動因子で気体の動粘性係数ンと拡散係数 Dとできまる ・ シ ュ ミ ッ ト数 Scニン/D と しイ ノ ル ズ数 Re , 物 体の 代 表的長さを L , 拡散境界層厚さを 6 と し た と き 次 の 関. 係で表わされる無次元量である. ▲ 言 i 。‐ 謡 冬s. β. ②. F i, 6 平板上 境界層. aは層流bは乱流cは発達した乱流を表わ している, 実験値のばらつきはあるけれどもやはり二 様の乱流境界層の 存在 していることがわかる. 遷移 Re 数や乱流境界層中の乱れの度合を決める因. 子としては主流の乱れのほかに当然面の平滑度が き い てくるのであって Sugawara と. 2 )は 平 Sat61. 5mm の溝を適当な間隔に開けることによ って熱伝達率をいろいろと変えているが, この 滑面に 0 . ことは乱流境界層になっているときにも境界層内部の乱れの度合が違 っていて熱伝達率の変化を来 た して いる も の であ る,. 一般に液面か ら空気中への蒸発実験は, 風によって表面が波立って面の粗度が増すこ と を さ け るために櫨紙やせんいに 液を含ませて液面として実験をするのが普通である. Fi g .8 に みる よ う に 0 ,似. d O Wa e:トルオール他 △ P i 1 ー :臭化ベンゾール s u a q = :水 w e o ▲ P i f i h ・ Po l 1 とG f t s:水 「 w e 十 Lu i f f:水 i h - i a o c r eとM. .. 0 ,娘. \\\. 0 1 0 . 0 0 8 0 , 」 0 0 6 0 .. X M i - - a r:水. 、. 凄. oq も ‘ , ・ ・; - f ・峠 際. 0 0 4 0 .. ト卦. ミ. 包、. ^ ×; 草ミミ +. 一 ・-K\. 0 0 2 0 ,. 0 0 1 0 ,. 4 i 0. 2. 4. Re ヱ. 5 6 8ー 0. F i 9 .7 流れの中におかれた平板面からの物貨移動と Re 数との関係 ;;>気流 --- --. せんい面上の薄い水の層 ≦ - - ;--む - -. ::〉気流. 波状のせんい面が露出Lている. ; ”/ %. 水を充分含んだせんいの面. F i 9 .8 水を含んだせんいの表面. 充分水にぬれていて表面に薄い水の層が存在していれば平 らな水面と して取り扱えるが, 蒸発時間 が長くかかって表面の水の層がなくな って しまえば所謂湿っ た物体表面か らの乾燥の問題になる,. 従 ってこのような実験では表面のぬれ方に充分注意する必要があると同時に, 蒸発量を秤量するこ とによって物質移動因子或は熱伝達因子の Re数との関係を求むるときに 秤量の正確さを期すため に徒 らに蒸発時間を長くすることは避けねばな らぬ,. (42).

(8) . 諸 5.. 清 ,一. 橋 結. 語. 試作したゲッ チソゲソ型風洞を使って 一様流中におかれた湿面上の温度境界層の厚さと Re数と の関係を調べたが,境界層が乱流になるのは一義的でなく風速によって違いのあることがわ かった. 更に遷移 Re数 を決定するのは主流の乱れの他に面の平滑度が影響するので 面のぬれた状態も微細 に注意する必要がある. 蒸発量を秤量して更に比較検討 したい. 最後に本論文を校閲して頂いた当教室沢田孝士教授に謝意を表する, 文. ・. 献. 6 1 195 ) 諸橋清一:北海道学芸大学紀要, 7 ) , No .2( , 2 43( 1960 ) ) 上田敏女:応用物理, 29 ,4 ,. h i 3).H. La 1921 ) t t zko: Ze ,1 , . Mech .angew. Mat ,268(. 4 ) D.S. Maisel and T, K,Sherwood: Chem, Engin, Prog.46,131(1950) . 5 1 8 194 9 ) 山本義一:気象集誌, 第二輯, 27 ) ,3 . ,( l: Trans 1940 ) 6 t ) R. W.Powel s .(London)18 . .lns . Chem Engr ,36(. 1935 )13 7) R, w ) s .(London . Chem, Engr ,175( , .Powelland E, Gri街ths; Trans.lnst h l 托 d C h d N M i i l E 5( 9 3 6 L i 3 4 1 2 8 ) 8 ) urean . c a o ; n . ng, em. , , l lar: Can 1937 9) Mi t ) eor , Mem.1 .2( , . Me , No. 1942 ) t )20 s 10 ) S, H. Wade: Trans .(London .lns , , Chem. Engr ,1( l: Proc i l 1943 11) Pasqu ) ,Soc , . . Roy ,182A,75(. 12 ) S.Sugawaraand T.Sat6: Mem. Fac, Engng. Kyoto.14,21(1952) .. (43).

(9)

参照

関連したドキュメント

これまた歴史的要因による︒中国には漢語方言を二分する二つの重要な境界線がある︒

 通常,2 層もしくは 3 層以上の層構成からなり,それぞれ の層は,接着層,バリア層,接合層に分けられる。接着層に は,Ti (チタン),Ta

1.4.2 流れの条件を変えるもの

以上,本研究で対象とする比較的空気を多く 含む湿り蒸気の熱・物質移動の促進において,こ

暑熱環境を的確に評価することは、発熱のある屋内の作業環境はいう

 中世に巡礼の旅の途上で強盗に襲われたり病に倒れた旅人の手当てをし,暖かくもてなしたのがホスピスの

パターン1 外部環境の「支援的要因(O)」を生 かしたもの パターン2 内部環境の「強み(S)」を生かした もの

一方、Fig.4には、下腿部前面及び後面におけ る筋厚の変化を各年齢でプロットした。下腿部で は、前面及び後面ともに中学生期における変化が Fig.3  Longitudinal changes