衝 突 二 噴 流 の干 渉 と熱 伝 達 に 関す る研 究 Studies of Interaction between Two Impinging Round Jets and Heat tuansfer

平 成 15年 度  修 士 論 文

衝 突 二 噴 流 の干 渉 と熱 伝 達 に 関す る研 究

Studies of Interaction between Two Impinging Round Jets and Heat tuansfer

平 成 1 6 年 2 月 6 日 提 出

指 導 教 官

社 河 内  敏 彦   教 授 辻 本     公 一  助 教 授

二 重 大 学 大 学 院   工 学研 究 科 博 士 前 期 課 程     機 械 工 学 専 攻

流 動 現 象 学研 究 室

田邊  剛

二 重 大 学 大 学 院   工 学 研 究 科

F・

熱伝達 に

衝突二噴流 の干渉 と

第 1 章   緒 論… ……… …… ……… … ……… … … ……

記 号 … ……… ……… …… ………… ……… … … ……

第 2 章   実 験装 置お よび方 法……… …… ……… …… ……… … … …… 5 2 。1   実 験装 置 の概 略 …… ……… ……… ………… ……… … … …… 5 2 。2   衝 突 噴流 の流 れ場 … … …… … … …… … … …… … … …… … … …… … … …… … … … ・6 2 . 3   実験 方 法 ………・̀ ……… ……… … …… 7

2 。3 。1   壁 面圧 力 分布 の測 定

2 。3 。2   平 均お よび変動 ( 舌L れ強 さ) 分布 の測 定 2 。3 . 3   時 間経過 に伴 う速度 変動 の解析

2 。3 。4   速 度場 の周 波数解析

2 . 3 . 5   流れ場 の可視化観 察 と測 定

2 . 3 。6   加 熱 平板 上 の温度分布 の測 定 とハ殊s ιJ ′数 の計算       く 2 。3 。7   ノ ズルー平板 系 の運転動力 の測 定

第 3 章   実 験結 果 お よび考察 … … … …… … … …… …… …… …… ……… ……… ………… 22 3 。1   ノ ズルー平板 間距離 r / J の 影 響 ( 原点一ノズル 間距離 s 〃= 0 。5 の 場合) ・…… … …… 2 2

3 . 1 。1   壁 面圧 力分布

3 。1 。2   壁 面近傍 の流動諸特性

( a ) 壁 面近傍 ( れ方 向) の平均お よび変動 ( 舌L れ強 さ) 分布 ( b ) 各 断面 にお け る壁 面噴流 の発 達過 程

( c ) 壁 面噴 流 にお け る速度 分布 の相似 性

( d ) 各 よ どみ点 にお け る速度場 のパ ワー スパ ク トル密 度 分布 ( e ) 各 よ どみ点 にお け る時間変動 特性

3 。1 。3   流 れ場 の可視化 ( 衝突平板 上 の流跡線 ) 3 。1 。4   熱 伝 達特性 お よび運転動力

( a ) N t t s ι″数分布 ( R り% θJ J s 数一 定)

１     ３

A

cp

d

f,

h H I I L.

I{u N"

^I^.

o

P q

a

r R Re s

s

t T u

1T,

I,l'n

I,l,max

V

X( f )- I

J ox(t)e-i2'Ertdt

It{u- - -

Air filter Blower Valve

Air conditioner Flow meter

Inclined manometer U-tube manometer

A/D converter, Computer Printer

Resistor Slide trance

Cu-Co thermocouples Cold junction

Printer Goettingen type manometer

Nozzle

Impingement plate Pitot tube

Hot wire probe (t type) Hot wire anemometer FFT analyzer

Znd stagnation point

(b) Circular nozzle (d-10mm)

Impingement plate

lst stagnation point

Fig.2 .I.2 Coordinate system and details of circular nozzle

Intennittency surface

Transition

Initial regron Fully developed region

line line

Fig.2.z.I Submerged turbulent free jet

Core regron

- 1 6 -

0.30

rld

Pressure distribution Velocity distribution (Reu-1.3 x lon, H/d:o.s)

Fig.2.2.2 Flow pattern of impinging jet

Free jet region

Stagnation region Boudary layer

Wall jet region

Impinging region Contraction

‑18‑

// /

/h=7.  帰

Impingement plate

Fig.2.2.4 Flow pattern of two round impinging jets

――――――――  ff

Contraction Interactive region Lnpmglng reglon

Fig.2.2.5 Flow pattern of two round impingrng jets with low nozzle to plate spacing

¨／／ ´ ´ ´

ｅⅧ

ヂ

(a)For static pressure lneasure]田 tent

(b) For heat transfer measurement Fig.2.3.1 Impingement plate.

t a : 1 0 m m

Dummy heater (t*-30pm)

Thermocouples

Bakelite plate (tn - 20mm) Main heater

(t*-3opm) tn:20mm

L

Deね il of A

(a) For flow characteristics measurement

Fig.2.3.2 Impingement plate (for flow velocity measurements)

‑23‑

くな る とともに 0。5≦」蹴 J≦4。0で は殆 ど変化 しない が,鵬 α<0。5で は急激 に増加 す る。例 えば の c の場合 (図中,○ 印),朋 =0。5で の値 が の c=1.38に対 して,朋 =0。1,0。2で はそれ ぞれ約 9。57

(のc=13.2),2.6o(のc=3。70)倍に増加 す る6の 0の場合 (図中,● 印),朋 =0。5で の値 が o。=0.62 に対 して,ヨ α=0。1,0。2で はそれ ぞれ約 6。36(の。=3。92),1。55(の。=0。95)倍に増加 す る。ヨ αが か な り小 さくな る lr/J<o。5)と噴流 が流 出す る ノズル 出 口と平板 間の通 路面積 が小 さ くな るた め,流 動抵抗が 急 増 し,そ の結果 の cが 急速 に増大す る.ま た の 。の増加 は,二 噴 流 が壁面上 で (半拘束条件 下 に)衝突 す るこ とに起 因す る.

3■2 壁 面近傍 の流動 諸 特性

衝 突噴流 の熱伝 達特性 は,壁 面近傍 の流動構 造 と密 接 に関係 す る。本研 究で は,噴 流 の流れ 場 が熱輸送 に及 ぼす影 響 を明 らか にす るた め,壁 面近傍 にお け る速度お よび乱れ 強 さ分布 を測 定 し検討 した .

(a)壁 面近傍 (γh方 向)の平均お よび変動 (舌Lれ強 さ)分布

図 3。1。3に ,衝 突お よび壁 面噴流領域 にお け る時間平均速度 %紘 mを 示す .な お ,測 定 は熱線 シ ングル プ ロー ブ を z〃=0.075の位 置 に設置 しそれ を γh方 向に移動 して,%h,%h'を測 定 した。

そ のた め壁 面噴 流領域 以外 の %h,お よび %rは,厳 密 な 角 方 向成 分 を示 してい ない が,こ こで は便 宜上 れ 方 向成 分 と して表記 した.前 節 3。1。1で 述べ た よ うに,速 度 の急激 な増減 はその位 置 で の圧力 の急速 な減 少 ,増 大 に対応 して い る (図3。1.1,参 照).

(a)γh方 向の時 間平均速度 %紘 m,

%紘 mは ,コ リに関わ らず 定性的 に相似 な分布形 とな る。/h=‰か ら‰+方

向 (図中,右 側 )の結果 を示す .ノ ズル 管 内 で完 全 に発 達 した速度 分布 を もつて ノズル 出 日か ら噴 出す る噴 流 (ポテ ン シ ャル コア を有す る)は ,ノ ズル直 下壁 面 近傍 の衝 突領 域 で速度 が減 衰す る。また (‰+方

向 の) ノズル外壁 (‰〃=1。7)まで流れ が加 速 され ,特 に 五開 <0。5で は,噴 流 の有効通 路面積 の急激 な 減 少 に よ り急加 速 され る (第一 の極 大値 ,最 大値 ).こ こで は,ノ ズル 出 口と平板 間 にお いて噴 流 が縮流 と して導 かれ るた め,乱 れ [図 3。1。4(a),参 照]を伴 わない一時的 な層流状 態 とな り熱 輸送 は速度 が支配 的 とな る.一 方 ,/h=γcか ら γh‐方 向 (図中,左 側 )で は,ノ ズル 外壁 (γ紹 =0。4) まで流 れ が加 速 され ,そ れ は対称位 置 の値 よ り大 きい .そ の後 ,徐 々に減 衰 し,/h+方向 よ り も膨 らみ を帯び た分布 とな る.角 =/。=0で 第 二の極大値 を と り,そ の値 は 五開 が小 さい ほ ど増 加 す る.

(b)γh=/ら″。お よび だで の時間平均速度 %″mと ヵ惚 との関係 ,

いずれ の分布 も 0.5≦」蹴 J≦4。0で は殆 ど変化 しない が,朋 <0。5で は急激 に増加 す る。例 え

Nu-f (Rea, Pr, Hld, other factos)

f t = T " 1 . 5

rn/d (a) rt- direction , Cf n - rn/d

Fig.3.1.1 Pressure distribution on impingement plate (Reu=2.3x10', s/d=0.5)

- 3 5 -

: lst stagantion, q, : Znd stagnation , Cp,

Htd Fig.3 .L.2 Pressure at lst and Znd stagnations

(Effects of. H, Reu-1.3 x 10n, sld-0.5)

Tn=T" 1.5

rn/d Tr,' direction, Ltrn/u^- rn/d

: lst stagantion, u Ju^

: 2nd, stagnation, uJu^

: symmetrical point (rn/d:2.2), Lro-fu^

nozzle center, u"/tA

- 3 7 -

0.30

0.15

Tn:T" 1.5

rn/d (a) rn- direction , u,o'fu^ - rnfd

0.15

2 4

H/d

(b) Turbulence intensity , L{.<,,o-ttf'tr*- H/d ---€- :H/d-\.L -a- : :2.0 ---o- : _0.2 -a- : :4,0

-*- : -0.5 znozzle center, ur'fu^

- + - : - 1 . 0

0

,

(b) Turbulence intensity, Ltr'fL{^- zld

Fig.3.1.5 Wall jets after impingement (Reu=2.3x10n, s/d=0.5, ro-direction)

0.30

0 . 1 5

0.30

(a) Mean velocity, 'b{,f!,t,^- z/d r"/d:Z.5

r"/d:4.0

'u"l'Lt,^

0 . 1 5

0 (b) Turbulence intensity, u"'/u^ - z/d

H/d 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 4.0

0.1 0.2 0.5 1.0 2.0 4.0

Fig.3.1.6 Wall jets after impingement (fteu:2.3x10', s/d=0.5, r"-direction)

Z/Zos

(a) Similarity of velocity distribution of wall jets (Comparison with Bakke's data)

---*- : Bakke's data

.f u: -- .- -I*Iz, u^ :36.60m/s

: first stagnation, ul, : secondary stagnation, ud

Fig.3.1.8 Frequency spectrum of velocity fluctuation (Reu-1.3 x 10', s/d=0.5, ro-direction)

'r,rc:23.9m/s 1,1^:43.9m/S

i

'1,{r: 9.8m/S Iro:ZL.2m/s

: first stagnatio a1 l,tc !,(,c:10.0m/S : secondary stagnatiorr, uo 'l,Io:17.3m/S

Fig.3.1.9 Fluctuation of. u with time

‑5

‑5 0

( a )   郵 ″= 0 . 1

0

(b) ′〃″=0.2

5 鴫″

0

‑4

‑4

‑46‑

ゴ

1000

0, ro Tn=T" 5

rn/d (a) rn- direction , Ir{uo- r,ld,

1000

5

F、′d ( b ) ‰一d i r e c t i o n ,   F 輌彦v 一F J d

＞ゴ

Hla=o。1

=0.1(shgle jet)

= 0 . 2

= 0 。5

= 1 . 0

= 2 。0

= 4 。0

nozzle center, Nu,

Fig。3。1。1l Heat tnnsfer chancte五 stics(Rθd=2。3×104,sだ=0。5)

: 1st stagantion, Nu : 2nd stagnation, Nu,

: symmetrical point (Tt :rJ) , IVu.

0 , r o T t : T " 5

r^/d Mean l{usselt number for Hld, M-rnld

-€- : rn /d

Y . a '

--o- :

- { } - .a

- - r - - :

- A - .

a

Hld

(b) Mean l{usselt number for ro/d,, M^- H/d

Fig.3.1.13 Mean Nusselt number (Reu:2.3x100, s1d=0.5, n-direction)

- 5 0 -

I P r '

IVuo.: - | IVwdr r, r o

;,: Ir{u,/ IVu"

2

H/d

(a) Mean lt{usselt number for Reu-L3 x 10n, cr"*- Hld

1.05

eO.

1.00

0.95

0.85

o

o .//

,'/

w -1 a'r,,{ ₄ (P.- P ^) * p ^u ^' lzy B-W,lW"

H/d

(b) Operating power for Reu=2.3x100, P-H/d

Fig.3.1.15 Ratios cr* and B (Reu=2.3x10', s/d=0.5, n-direction)

rnld Mean l{usselt number for H/d, i-rn/d

2

Mean l{usselt numb ecr, (same operating power

--€-- : Hld:0.1 ---+- : -0.2 - * - : : 0 . 5 - + - : : 1 . 0

rn-direction)

r^/d

Local I{usselt number for Reo, Ir{un- rn/d (H/d-O I )

104

Reu

(b) Local l{usselt number for H/d, IVu," - Reo

Fig.3.1.17 Heat transfer characteristics for Reu Gld=0.5, n-direction)

104

Reu

Mean l{usselt number for Hld, M.

104

Reu

(b) Opr:ating power for H/d, W tWl- Re^

w -1 a'r^{ (P"- P ^) + p J,t ^' 12}

4

(a) Relation betweenM"

H/d (b) Optimal affangement for Reu, Tl- Hld

Fig.3.1.19 M,and q for Reo 6ld=0.5, ro-direction)

p-L49 x (sld+0.29) 0'006-49

I{u":0.029 x Reu0'855 I{u"-Q.030 x Red0'8ss Ir{uo:0.025 X Redo'8ss I{u":o.02L x Red0'*55 I{uo:0.0L7 x Red0'855

ffi_0.A44x sld,o.,t M:0.03g x sld,o.,,, Tu*=0.037 x sld,o'"'

W - 4 x 1 0 - t t x s l d 2 ' e 6 6 6

- 6 7 -

2.5

ro/d (a) rr,- direction , Cf n- ro/d

2.5

r"/d (b) ru- direction , Cp, - r"/d distribution on impingement plate

Fig.3.z.l Pressure ^{(Reu-1.3 x 10u,} Hld=0.5)

1 . 5

s/d Fig.3 .2.2 Pressure at lst and Znd stagnations

(Effects of s, Reu-L3 x 10n, Hld:0.5 ) 3.0

- 6 8 -

+- : 1st stagantior, Cp

"

- + - : Znd stagnation, Cp,

o t - . .

o

1 . 5

rold rn- direction , %ohr^ - To/d,

s/d

(b) Velocity at lst and 2nd stagnations , L{.r,h,t^ - s/d

Fig.3.2.3 Mean velocity in impinging jet regron (Reu=2.3xL0n, Hld=0.5, zld=0.075)

- + - : : 1 . 0 : n o z z l e c e n t e r , u " f u ^

: 1st stagantion, u" fu*

: 2nd, stagnation, u,, /u^

1 . 5

ro/d (a) rn- direction , uo'hr^- rnfd

(b) Turbulence intensity, Fig.3 .2.4 Turbulence intensity in impinging jet region

: 1st stagantion, u "'hr^

: Znd stagnation, 'bto'/rr^

lro'I'Lc'

(b) Turbulence intensity, unl/u^- zld

Fig.3.2.5 Wall jets after impingement (fteu=2.3xL0', H/d=0.5, ru-direction)

-72 -

0.30

0 . 1 5

0.30

(a) Mean velocity, 'u"/'bt^- zld rld-2.5

r/d-4.0

u,h,t,^

0 . 1 5

0 (b) Turbulence intensity, 'u,'fL{^- z/d

'U"'h,{,^

0.3 0.5 1.0 2.0 3.0

0.3 0.5 1.0 2.0 3.0

FiS.3.2.6 Wall jets after impingement (Reu=2.3xL}n, H1d=0.5, n-direction)

-++-: Radial wall jet (by gakke, L957)

--*- : Bakke's data

I

: first stagnation, ul.

: secondary stagnation, ud

Fig.3 .2.8 Frequency spectrum of velocity fluctuation (Reu-1.3 x 10n, H/d=0.5, ro-direction)

'lrc:L2.2m/s Iro: 9.1m/s

: first stagnatiot, uc 'llc:13.2m/S : secondary stagnatiorr,I,to 'llo: 5.3mlS

Fig.3.2.9 Fluctuation of. u with time

3 /b″

(a) s/J=03

lb)s/」 =0.5

‑79‑

ミ

5

rr/d (a) rn- direction , Ir{un- ro/d

5

'、la ( b ) ‰一d i r e c t i o n ,   F 輌″v 一r 、′d

Fig。3.2。1l Heat transfer characteristics(Rιd=2。3×10ちHla=o.5)

二 重 大 学 大 学 院   工 学 研 究 科 sだ =0。3

=0。5

=0.5(single jet)

=1.0

=2。0

=3。0

■ozzle center,脇 c

- 8 0 -

200

0

\ _ " - - - -- \ _ . ' - H _

- E - X

: 1st stagantion, Nu"

: Znd stagnation, Nu,

: symmetrical point (rn:ro-) , Nui : single jet (ra:ro) , Nu"

1 . 5 3

s/d

Fi5.3.2.12 Local Nusselt number (Effects of s, Reu=2.3x10n, Hld--0.5)

5

ro/d

(a) Mean ltJ,usselt number for s/d, M- rnld

1 . 5

s/d

(b) Mean l{usselt number for rn/d., M- s/d,

s/d

(a) Mean Nusselt number for Reu-1.3 x 100, *"- s/d

s/d

(b) Operatingpower for Reu=2.3x10n, B-s/d.

Fig.3.2.15 Ratios cx." and F (Re^=2.3x100, H/d=0,5, r,-direction)

5

rn/d

(a) Mean l{usselt number for s/d, y' - rold

s/d (b) Mean Nusselt number, v; s/d

Fis.3.2.16 Ratios fand y* (same operating power with W,lWf , Hld-0.5, r,-direction)

-G- : sld -0.3 -a- - * - : - 0 . 5 - a - - + - : - 1 , 0

rn/d

Local Nusselt number for Reu, Ntto- Told (s/d:0'3)

104 Reu

(b) Local Nusselt number for sld, Ir{tt"- Reu

Fig.3.2.17 Heat hansfer characteristics for Reu (Iild=0.S, n-direction)

104

Reu

(a) Mean l{usselt number for s/d, M- Reu

W -? d'u,{ (P-- P ) + p ^u^' 12}

4

1

W

for s/d, (a) Relation betweenM* and WIW)

s/d (b) Optimal arrangement for Reu, Tl- sld

Fig.3 .z.Lg M-WtWl and 4 for Reu (Hld-0.5, rn-direction) W -* O'r.{ (P.- P ^) + p Jr ^'12}

4