フエンス後方のはくり域における蒸発を伴う熱伝達

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(1)Title. フエンス後方のはくり域における蒸発を伴う熱伝達. Author(s). 諸橋, 清一. Citation. 北海道教育大学紀要. 第二部. A, 数学・物理学・化学・工学編, 28(2) : 81-93. Issue Date. 1978-02. URL. http://s-ir.sap.hokkyodai.ac.jp/dspace/handle/123456789/6012. Rights. Hokkaido University of Education.

(2) . 北海道教育大学紀要（第２部Ａ）第２８巻第２号. ｉｖｅｉｉｏｎ（ＳｅｃｔｉｏｎｌｌｏｆＨｏｋｋａｉｄｏＵｎＩＡ）ＶｏｌｔｙｏｆＥｄｕｃａｔＪｏｕｒｎａｒｓ．２８．２，Ｎｏ. 昭和５３年２月Ｆｅｂｒｕａｒｙｌ９７８. フェンス後方のはくり域における蒸発を伴う熱伝達諸. 橋. 一. 清. 北海道教育大学旭川分校物理教室ＨｅａｔＴｒａｎｓｆｅｒａｔｔｈｅ、ァｖａｔｅｒｉｎｄａＦｅｎｃｅ－ＳｕｒｆａｃｅｉｎｔｈｅＳｅｐａｒａｔｅｄＲｅｇｉｏｎｓｂｅｈｓｅｉｉｃｈｉハ４ｏＲＯＨＡＳＨＩ ‐ ＰｈｙｓｉｃｉｋａｗａＢｒｉｉｄｏＵｎｉｖｅｉｆＥｄｕｃａｔｔｔｙｏｓＬａｂｏｒｒｙａｏｏｎａｎｃｈｒｓ，Ａｓａｈ，ＨｏｋｋａＡｓｉｋａｗａ０７０三口］. ＡｂｓｔｒａｃｔＡｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｎｈｅａｔｔｒａｎｓｆｅｒｏｆａｆｌｌｉｎｄｔｈｅｆｅｎｃｅａｔｐｌａｔｅｉｎａｓｅｐａｒａｔｅｄｆｏｗｂｅｈｉｅｄｏｕｔｉｔｈｔｈｅｅＶａｐｏｒａｔｉｏｎｏｆＷａｔｅｒＷａｓＣａｒｒｆＷａｔｅｒｅｖａｐｏ－ＷｉｎｔｈｅＷｉｎｄｔｕｎｎｅｌ．Ｔｈｅａｍｏｕｎｔｏ１ｈｌｉｈｈｉｔｂｄｉｈｄｒａｔｅｄｆｔｉｆｆｒｏｍｅＶｅｓｓｅＷｃＷａｓｕｒｅｎｔｅｐａｅＷａｓｍｅａｓｕｒｅａｔｄｅｒｅｎｔＷｉｎｄｖｅｌｏＣｉｔｉｅｓ．. Ｔｈｅｈｅａｔ‐ｔｒａｎｓｆｅｒｒａｔｅｔｏａｆｌｔｈｔｈｅｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎｆｌａｔｐｌａｔｅＷｉｒｏｍｔｈｅｓｕｒｆａｃｅｉｎａｎａｉｒｆｏｗｗａｓ. ｌＣａｃｕｌａｔｅｄ．Ｆｒｉｍｅｎｔｓｔｈｅｔｕｒｂｕｌｉｔｙｉｏｍｔｈｅｅｘｐｅｒｅｎｃｅｉｎｔｅｎｓｌｔｐｌｎｔｈｅｂｏｕｎｄａｒｙｌａｙｅｒｏｎａｆｔｅｉｎｔｈｅａａ，ｄｈｄｉｌｌｓｅｐａｒａｔｅａｎｄｒｅａｔｔａｃｅｒｅｇｏｎｓＷａｌｔｎｕｍｂｅｒｉｉｓｆｕｏｐｅｄａｎｄｔｈｅＮｕｓｓｅｌｎｔｈｙｄｅｖｅｓｃａｓｅｗａｓｉｄｅｒａｂｌｙｌａｒｇｅｒｔｆｈａｎｔｈａｌｔｆｏｒａｓｍｏｏｔｈｆｏｕｎｄＣｏｎｓｔｐｌａｔｅ．ａ. １．. 緒. 言. 気流中におかれた液体表面からの蒸発現象は気象学の分野では小は乾湿球温度の理論より大は水文学的に地球上の水収支の問題となり，農業気象学の方面では植物の葉面からの蒸散の研究から広くは温水池の熱収支と土壌面や水田からの水の蒸発量を決定する重要なテーマであるまた機械工．学特に伝熱工学の方面ではタービン翼の冷却から人工衛生で大気圏再突入時の衛星表面のａｂｌａｔｉｏｎｌｉｎｇの方法としてゆるがせにできぬ問題である．伝熱工学では浸出冷却の名のもとに盛に研究さｃｏｏれている分野である．筆者は如上の問題を特に気流中におかれた水面からの蒸発を境界層の状態に注目し，また乱流中の物質移動の問題として一連の風洞実験を行ってきた，. ｌ）の研究があり液面蒸平板からの浸出冷却に関する理論的取り扱いとしてはＨａｒｔｎｅｔｔとＥｃｋｅｔｒ，）Ｌｕ３）発による熱伝達の実験とその解析にはＳｍｏｌｓｋｙとＳｅｒｇｅｙｅｖ２，ｉｋｏｖの仕事が上げられる．吹出. １３）～）の人々によって詳細になされてきた境界層に関する実験としては西脇，槌田，平田，鳥居ら４．４１５））が解明しており電力供給の湖水面からの ’ 農業気象の分野では温水池の接水気層の性質を内島１，６）の業績がある浸出冷却や吹出し境界層の研究に関する大半の実水の蒸発については山本，近藤１．験条件は一様な主流中に置かれた平板面上からの液体の蒸発を対象としている液面の境界層の状．態が主流の速度と平板の代表長とで決まるレイノルズ数尺８に依ることは自明のことであるが，主. 流の乱れの強さも面上の境界層の性質を左右する大事な因子である液面からの蒸発を特に主流乱．１（）８.

(3) . 諸橋清一. Ｆｉｇ．１風洞測定部（左）と内部（右）. ７）風洞測定部で流れの上手に乱流格子を設れに注目して筆者は風洞実験で先にその様子を調べた１．置して主流乱れの強さを変える方法は流れ方向に当然の事ながら乱れの強さの減衰領域をつくることになる．主流の乱れの強さをいろいろに変化させ且その減衰が一定の値と見なしうる領域に流れに平行に置いた平らな液面からの蒸発を，乱れの強さの変化と関連させて求める方法は要因である乱れの強さの変化領域を大きくとる訳にはいかない．一方流れに垂直なフェンスを立て，その背後. に置かれた平板の熱伝達は，はく離領域における熱伝達として興味の持たれる問題である．また農業気象の方面で昔より数多く研究されている防風林（垣）の機能は主にその背後に風を弱めて作物を保護することに主眼がおかれていて，その後方に広く延びる土壌面の蒸散ということには力点をおかれてなされた研究が少い，上記の観点より筆者は風洞内に防風林の模型を設置しその後方に貯８｝水槽をおいて水の蒸発量と防風林模型の形態やその背後の乱れとの関連を求める実験を行った１. ２０～｝水面からの蒸発量は防風林模型の形や背後に生ずるはく離域の乱れの強さの影響を受けるこ．とを確認した．今回の研究では防風林模型として垂直板を使用しその背後に流れに平行に置かれた平板の一部に貯水槽を置き局所的な蒸発量を秤量し気流からの熱伝達率を求め，吹出しのない平板への熱伝達や吹出し境界層の実験結果と比較検討した．蒸発液面の熱伝達は平板への熱伝達とは異なる特性を有するものであるか重要な問題である．. ２２）の提唱するｖｏｌｕｍｅｔｒｉｃｅｖａｐｏｒａ１））やｉｋｏｖ３ｉｏｎ（体積蒸発）については甲藤，青木，小泉，山口２ ’ Ｌｕｔ. ３）らの研究がなされているのでそれらの結果を参考として実験を進めた森，土方，田中２，２．. 実験装置および方法. ２．１実験装置本実験には当研究室の循環型風洞を使用し風洞の測定部から先は特に開放型に直して使用した．. 測定部の概略と水容器の設置の状態をＦｉｇ０ｃｍＸ４０ｃｍ，．１とＦｉｇ．２に示す．風洞測定部の断面は４. 長さは１５０ｃｍで壁の中には発泡ポリスチロールを入れて断熱性をよくしてある．測定部の底面よ. り５ｃｍの高さにハードボード板よりなる幅４０ｃｍ，長さ１１ｏｃｍ，厚さ２ｃｍからなる底板を設置. しこの板上に流れに垂直に平板を設け後方の各位置に水容器を毎回置いて蒸発量を秤量した．上記の底板は地表面とみなしたものであり，底板面上に発生する勇断流の中で底板面の先端より３０ｃｍの距離に幅４０ｃｍ，厚さｌｍｍで高さが１，２，３，４ｃｍの４種の平板を垂直に立てた．水容器は. １５ｃｍ× ４ｃｍのプラスチック板からなりその中水面部は１３ｃｍ × ６ｃｍである先の筆者の実験で．. は水容器を流れ方向の長さが３，６，１２，２４ｃｍの４種作り，防風林模型とした垂直平板（防風林と（８２）.

(4) . . フェンス後方で蒸発を伴う熱伝達. して考えたとき密閉度１００％と称する）の後方に底板面に埋めこんで水容器全体からの蒸発量を秤量して，防風林背後に存在する貯水池からの水の蒸発のモデルとして研究を行った．従って水面からの蒸発は面全体からの蒸発量であるので水面の局所的蒸発量そのものを測定できず単位面積当りの蒸発量は局所的のそれの平均値を示すことになる．今回の実験では水面の広さを流れ方向に幅６ｃｍ，流れに対して幅１３ｃｍのものを１個とし，これを底板面上に垂直に立てた平板の後方の各位置に毎回埋めこんで蒸発量を測定した．吹出しのある境界層で熱伝達を求める伝熱工学の分野の実験. では，面全体からの吹出しによるか或は面上の各ポイントからの吹出しによってその前後の位置で熱伝達の様子をみるのが通例であるが，筆者の今回の実験では吹出しはポイントではなく広がりを持っているのが特色である．実験の狙いとしては，地上にある防風林の背後に貯水池がある場合同一の貯水池が防風林の後方の位置の違いによって蒸発量の増減があるものと考えその特性を調べることにした．. ２．２. 実験の条件と測定方法. （１）風洞内の気流は無段変速機で変化させた。気流の速度はＤＩＳＡの定温度型熱線風速計で測. 定した．測定部断面の風速分布は十分一様性になっていることを確認した．風速は３７０．００，４．，５．２０ｍ／ｓｅｃの３段階で実施した．変動風速の成分を実効値電圧計に入れて乱れの実効値の値と平均風速との関係より求めた主流の乱れの強さは３～４％である．熱線風速計による主流気流の速度の測. 定値はピトー管と傾斜管圧力計で較正を施した．流れ方向と平板面に垂直方向の速度分布の測定には３次元移動機を使って実施した．底板面上に流れに垂直に立てた平板の後方の速度分布は平板の. 中心線上の値で代表した．使用した熱線は直径５ ”長さはｌｃｍである。（２）風洞内気流の温度測定には乾湿球水銀温度計を使用した．風洞のある実験室の気温変化は実験期間中温度変化の幅は少く日中最大でも２ ℃ 程度に収まった．今回の実験では水容器中の水は内. 部加熱はせず断熱蒸発として取り扱い，水の蒸発量を測定し気流からの熱伝達量を計算した測定．中の気流の乾湿球温度計の読みの安定性はよかった。水容器中の水は実験の前日に風洞内に置いて. 当日使用した．幸い実験期間中の日中の気温変化の幅が少く，気流中に置かれた水面は温度平衡の状態を保っているものとした．. 水の表面の温度測定には銅－コンスタンタン熱電対（直径５０ｇ）を微動装置で上部より移動接触. させて測定した．蒸発しつつある水面が温度平衡が保たれているとすれば気流中に置いた湿球温度計の読みと熱電対で測定した水面表面の温度とは一致する筈である，今気流温度が水面より高く，Ｕ. ３０ｒＬ. ８０Ｃｍ. Ｃ. . ク. Ｆｉｇ．２測定部に置かれるフェンス（ａ）と水容器（ｂ）及び底板（ｃ）. ３）（８.

(5) . 諸橋清一. ２０. ３０気流温度℃. ４０. 七帥. Ｆｉｇ．３気流温度と水面温度との関係. 水容器の断熱性が十分保たれており，高温気流や周囲の壁からのふく射伝熱による水面への伝熱量が無視できうる状態，即ち気流からの対流伝熱のみによって水面からの蒸発が起こるものとする（今回の実験はそのようにみなしてよい。）Ｔ気流の温度Ｚ仰，気流中の水蒸気濃度をｗ閃とし水面での値をｗ，ｗｗとする．気流の定圧比熱をＱ，水の蒸発熱をＬ，ルイス数をＬｅとする．空気と水蒸気との間で熱伝達と物質移動との相似性が. 成り立つものとすると（実際はかなりよく成立している），熱伝達と物質伝達に関して亙“＝々．ｍれ尺ｇｍｐγれＳね々ｓ尺＝・ｅｃと表わし水面で気流中への蒸発を物質伝達率ねｐ，，混合気の密度を〃としゐ（Ｚ餌－ｒｗ）＝ねＤｐＬ（ｗｗ－ｗ仰）の関係から. α（Ｔル）テ. ｗ『ｗ仰１－ｗｗ. 勿ｗ－勿…－Ｌ〆 ”. α（Ｔール）モ. （１）. （２）. となる．乱流ではれの値を％とする．水面が温度平衡を保っているとすれば，毛，似めより水面温度２２Ｔｗが算出できるＦｇ．３に甲藤ら）の実験値と筆者の実験の乾球と湿球温度との関係を示す．一定．ｉの相対湿度の条件の下で実験を実施すれば両者の関係は同一線上にのる訳である．筆者の場合は相. 対湿度は５０％台であり，甲藤らの実験は十分乾燥した空気の下で行われたものと考えられる．両者ｌの温度条件をＴａｂｅ．１に示す．（）水容器は気流中に８分間程おいて蒸発させた後それ３，を風洞外にとりだして秤量して蒸発量を決めた．水容器は縦（流れに垂直）１５ｃｍ，横（気流に平行）６．ｏｃｍ，厚さ１．５ｃｍで水面部分は１３× ４ × ｌｃｍ３である．実験の風速の範囲（３～５．２ｍ／ｓｅｃ）で蒸発量は３００～８００ｍｇ（８分間）であっ. た．風洞外にオーパフロー容器をおき風洞内に設置した水容器と連結する方法をとらなかったので，風洞内に設置された容器中の水表面の水位は蒸発を続ければ低下することになる．蒸発量の最大値から計算した水位の低下量は０．１５ｍｍである．蒸発量は１ｏｍｇまで読みとったが，秤量の誤差は（８４）.

(6) . フェンス後方で蒸発を伴う熱伝達ｌＴａｂｅ．１蒸発液面からの熱伝達（固体壁との比）乾球温度. 湿球温度. ２０，０. １９．８. ０２. ０．９２３. ２２．０. ２０．１. １．９. １，４３. ″. ２４．０. ２０．４. ３．６. １．５８. ′ ′. ２６．０. ２０，７. ６．３. １．７４. ２６．８. ２０，０. ６８. １．０６. 諸. 橋. ２８．０. ２１，０. ７０. １．７５. 甲. 藤. ２８．８. ２２．４. ６４. １，０６. 諸. 橋. ３０．０. ２１，４. ８６. １，８０. 甲. 藤. ｔめ℃. ｔｗ℃. 温. 度. 差. ｔ仰一ｔｗ℃. ４０，０. ２３．０. ５０，０. ２５．０. １７．０２５．０. ６０．０. ２８．０. ３２，０. 熱伝達比Ｎｕ／Ｎｕ。. 藤. 甲. ″. １．９５. ′ ′. ２，０１２．０４. ″ ″. ％近くみておけば安全であろう．主流の速度が増加すれば流れに平行に平らに置かれた水面も波立つことが考えられる．まして水. の位置する底板上には上手に垂直平板を立ててあり，その後方にははく離域や主流の再付着域が１）によれば主流空気在するので，水面下ｌｍｍにガーゼを敷いて波立ちの防止をはかった．甲藤２加熱せず室温で実験した水面からの蒸発が非常に弱い場合，水面の安定性を保つ臨界速度は７ｓｅｃであるので，今回の筆者の実験の主流速度５．２０ｍ／ｓｅｃではその範囲内である，然し，水容器. 位置する前方にフェンスを置いた今回の実験の場合は，フェンスの端からはく離した気流が水面対して斜めの速度で流入してくる場合もあるので，波立ちは完全に除ぐことはできない．フェンの高さとその後方に置かれた水容器の位置によって水面が波立つ現象が観察され，その位置はま. 後述する如く蒸発量の増加する場所でもあった．波立ちの程度はそれがために容器からこぼれだたりしぶきとなって蒸発現象以外に水を減量するまでにはいかなかった．（４）主流の速度測定は熱線風速計のＤＣ成分をディジボルに，ＡＣ成分はＲＭＳ計につないで読とった．ＤＣ成分とＲＭＳ計のＤＣ出力は同時に記録計に入れＡＣ成分は増幅器を通してシンクスコープでモニターした，必要に応じてはＡＣ成分をデータレコーダで記録し低速で再生して波を調べた．. ３．. 実験結果および解析. ３．１水面への伝熱量風洞内の底板上に４種類のフェンスを設置し水容器を底板の各位置に水面が底板面と平らになるうに毎回セットし，８分間気流中に置いて蒸発量を秤量した．風速は３段階で測定した．フェンｅの高さ〃を使って尺８数を求めるとＬ８×１０３～１，２×１０４となる，測定データをＴａｂｌ．２に示す．流から水の表面への熱伝達量をｑ，蒸発面積をＳとし水，単位時間の蒸発量を物，蒸発の潜熱をＬ. への放射伝熱量を無視できうる断熱蒸発と考え，気流と水面の温度を』あとすればｑ＝吻Ｌでらの水面への熱伝達率ゑは次のようになる．一ー. 物Ｌ. ｓ（た－を））（８５. （３）.

(7) . 諸橋清一. 孔. 名. ８号. ８０. ＼＼＊クキ ‘ ４０３０２０１００. . . ◎. ３. ９. ７０６Ｏ. １１５２. ３２７３（）ａ. ９３. △ ｏ. ５０. ′ ／３ｏ ◎. Ｈ；ｌｃｍ００％ ◎－－－３．ｅｃ２０７０ｏ－－－４ｔｌｏ △－－－６１１０１ｘ０３ム５５. ９. ５１，. ＼＼. ◎ ・一、ご、、、＼、；. ◎. Ｈ＝？ーｍｃ… ーーｏ％ｃ ◎－ｏ－－３．－－＊７０ｏ－－－５ △‐ ２０．. れ. ２７３３（ｂ）. ３９. １ム５５. ｘ. 煮. . ０８. ７０６０. △. ８′ 一. ４０２０３. ９. １５. ２１. ２７３３（）ｃ. . ８０ △ △ ７０６０１ ‐◎ ；′′一番‐｛ ←、、 ′ ′ ′ ′ 己、、４０『′ ／；′′. ニ、、ご；ネ『容 ′ ／≧ ； ′ ；；多′ ′ ；づン ‘ 灯雄. ◎－－－３ｏｏ％に２０，１０ △一－－ぢ乙０．１ × ０３３９ム５５. Ｈ一ｍ. も；三噌％－－凝。－。－０－－－４７０ー－－ぢムＺＯ・. ９. ・５. １２. ２７３３ｄ（）. ３９. ム５. １５. ｘ. ｌＦｉｈ℃ である／ｍ２ｇ．４水面の位置と熱伝達率との関係（フェンス毎），たの単位はＫｃａ. 室温で内部加熱をしない今回の実験では放射伝熱を無視して計算した熱伝達率ねの値に対する誤ｌ／ｇ（２５℃）をとった．水面は気流に平行に差の影響は少いであろう．蒸発の潜熱Ｌの値は５８２．８ｃａ. て求めた熱伝達率ねはフェンス後方の平板面の点の値を置かれてあるが上記のようにして計算し，示すものではない．水面は幅が４ｃｍあるので底板上に置かれた位置で小区間の平均的な熱伝達率を表わすことになるが，その値が水面の幅の中心位置で板上の一点の値を示すものとして差支えな. いとした．ここで言う熱伝達は平板への熱伝達だけを問題にするのみでなく，物質移動を伴う熱伝達を考える．. Ｆｉ．４～Ｆｉｇフェンスの高さ旦と熱伝達率ね．，及び風速ひとの関係をデータから整理してみるとｇ. ５のようになる．同一の高さのフェンス後方では風速を増すにつれ熱伝達率は大きくなり，フェンス. からの距離尤についてみると最大値をとる位置はフェンスの高さに比例して離れているが，フェン. ス高対距離の比尤／什でみると違いは小さく，尤／″ の値が１２～１４倍の値を示している．. 一方，同一の風速に関してはフェンスからの距離尤についてみると，フェンスの高さＨに比例し. て熱伝達率の最大値を示す位置はフェンスの後方に延びている．垂直なフェンスの後方では流れがｉはく離して再付着し遷移領域をへて再び境界層が形成されて発達する．その様子をＦｇ．６に示す．. 主流がフェンスを越えるときにはく離した流れは平板上に再付着するがフェンスから再付着点まで／″ で表わすと，実験データからして熱伝達率ゑが最大値をとる ×は再付着の長さを無次元化してｘ／″ が一定の値を示すのはフェンス後方点になっていることがわかる．再付着点の長さに関する値尤で，境界層が乱れの大きい乱流境界層になっていることを示している．再付着長さに関する関・福５３のオーダでェ）の研究から尺β数が１迫・平田２／″ が一定となる乱流域が存在することがわかる．０（８６）.

(8) . フェンス後方で蒸発を伴う熱伝達３～１２因みに筆者の実験では尺ｇ数は１．８×１０．４であってフェンスの直後の領域では乱れ ×１０. . が大きく変動していることがわかる．１）の物質移動のない滑らか平板の熱伝達１実験値と水蒸気の蒸発を伴う筆者のそれとを. ８０. ７０６０. ◎. ′′ ｗ ′≠塾と／／ ≦；－再ｙ／伽／－ｈｈ、もｆ十－－ ′叩 ÷ ー、－ミニ（｛き９と響Ｈ－－÷′ △ ；『挙ム０／脅に／ ′ ′. ５０. る. 比較してＦｉｇ．４ ◎“こ示す．筆者の実験では. ＝つ＾＾一 . 底板にはハードボード板の粗い裏面を地表面. －斗 □－. の代りに使用しているので，条件は少しく異なるが全体の傾向は似たものとしてよいであ. . ２０１０３. ９. １２７３３３９１５２. （）ａ. 偽. ５１. 豹. ろう。面の表面が粗なことと物質移動を伴うことによって熱伝達率ねは全体に大きくなっていることがわかる．. 水の表面の温度は断熱平衡を保って一定温. 度として扱っているが，ハードボード板の底. ８０. ５０ ◎ △ ３０２０１０. 板面の表面温度はフェンスの直後から最後端. ◎. まで一様の表面温度とする訳にはいかない．. ２０Ｕニム．日◎ －－１ ‘ 琉０－２－－ △－－３－－今 □－３. ９. １５. ２１. ２７３３ｂ（）. １３９４５５. 党日. 水面をはさんで前後の底板面の表面温度は等しいものとしても，水容器を置いた区域については段階的に温度が（今回の実験では低く. なっている）変化していることを注意しなければならない．再三述べるようにこの実験は. 地上で防風林を設置した場合風向に対して防風林の後方に温水池が存在する場合，気流中への水の蒸発量と温水池の位置との関係をみるためのモデルとして計画した（気流はこの. 際中立状態にあるとする）．３。２. 水面上の境界層. 温水池上の乱流輸送に関しては水面上の境 □－ ‐ －４－３. ９. １５. １２. ２７３３（）ｃ. ３９４５. 女日. １５. Ｆｉｇ．５水面の位置と熱伝達率との関係（風速毎）. 界層外の気流の風速が２ｍ／ｓｅｃ以上で既に水面は空気力学的に粗面であり，水面は漣を発生しこのために水面の粗度は更に増加する４）大気中では乱れの強さものとされている１。. は風洞実験の場合とは違って遥かに大きいので，風速の増加で粗度を増した水面と気層間の熱伝達率は風速の自乗に比例して増加するとされて. ２１｝底板面全体が水面でありフェンスを置かず更に水容器の）・ｌいる．Ｓｍｏｓｋｙや甲藤らの実験では２，，. 中に水面より僅かに下に金網を沈めて漣の発生を防止してあって滑らかな面として平板の熱伝達と比較している。フェンスを立てた筆者の実験では境界層内の大きな乱れと斜め成分をもつはく離流れとの両者の影響でやはり漣が発生しているのが目視できる。. 水面容器を置かずに底板面上の各位置で板上で流れに垂直方向の乱れの強さの分布を調べてみ. た．フェンスの高さを増すにつれ底板上の乱れの強さの分布はフェンスの近傍から乱流境界層を形（８７）.

(9) . 諸橋清一ｌＴａｂｅ．２実験値とそれから求めた熱伝達率の値フェンス１（Ｈ＝ｌｃ. 主流温度. 水面温度. 蒸発量. （ｍ／）Ｓｅｃ. （℃）. （℃）. ）（ｅＳｃｇ／. ３．００４．７０５．２０. ３１．２３１．２. ２３．８. ０．３５０，４２. 風. 速. ３．００４，７０. ５．２０３，００. ４．７０５．２０３．００４．７０. ３．００４，７０. ５，２０３．００. ４．７０５．２０３．００４．７０５．２０３．００. ４，７０５，２０３．００４．７０. ５．２０３．００. ４．７０５．２０. ３，００４．７０５．２０３．００. ４．７０５．２０３．００４．７０. ５．２０３．００４．７０５．２０. ３１．２３０．８. ３１．２３１．２３１．５３１．５. ３１，３３１．３. ３１．２２７，２. ２７，０２７．０２８．０２８．０２８．０. ３１．０. ３１．０３１，０３１．０３１．０. ３１．０３１，２３１．３. ３１．３. ３１．２. ３１，２. ３１．２. ２７．５２７．３. ２３．８２３．８. ２３．０２３．７２３．７. ２３．４２３．４. ２３．４２３．４. ２４．２２１．８. ２１．８２１．８２２．０２２，０２２，０. ２３．８. ２３，８２３．８. ２４．０２３．６２３．６２３．０. ２３．２. ２３．２２４．０. ２４．０. ２４．０２１．８２１．８. ２６．３. ２１，６２１．３. ２６．２. ２１．０. ２７．２. ２６．２. ２８．８２８．８. ２８．９２８．４２８．４２８．４. ２１．０. ２２．４. ２２．４２２，４２１，９. ２１．９２１．９. フェンス後方から蒸発面までの. 距. ×／日３．０３．０. ３．０９．０. ０．５１０．５８. ０，６００．６７. ０．５８０．６１０．７００．３２. ０．４４０．３２０．３５. ０．４００．２９. ０．３２０．４１. 離. ９．０９，０. １５．０. １５．０１５．０２１．０２１．０２７．０２７．０２７．０. ５１．０５１，０５１．０. １（Ｈ＝２ｃｍ）フェンス１１．５１．５. ０．２８０．３７. １．５４．５４．５. ０，４００．３８０，４６. ０．５１０．４５０．６００．６４０．４４. ０．５２０，５９. ０．３８０．５１. ０．６３０．３５. ０，３９０．４５. ０．３６０，４５. ０．５２０．３８. ０，４００．４７. ４．５７．５. ７．５７．５１０．５１０．５. １０．５. １３．５１３．５. 水面への熱伝達率. ２，ｈ℃）／ｍＣａ３８．２５１．５. （－）. １７．３２３．１. ３１．８×１０２．８. ２８．９３２．４. ２．８３．１. ５８．０. ２６．１. ６４．４７２．０. ６１．６. ７７，４４８．２５７．３４７．９. ５４．４. ２７．７. ３４．８. ２１．６. ２５．７２１．５. ２４．４２８，０. ６２，３３９，２. １７．６. ５５．１. ２４．８. ４３．５. １９．５. ３１，３４０．７. ２８・４. ４３．９. ５０．３. ３９．９４５．７. ４４．３. ４０．３. ４３．６. ５５．８. ５９．８. ６４．２４９．３. ３７．０. ３９．６. ５０．７５４，４５８，４. ５８．３. ４４．８５３．０. ６３．７. ４９．１５７，９. ６１．７. ５６．１. ６７．０５４．０. １６．５. ６９．５. ２２．５. （一）. ２５．１２６．９. ７０．２５４．４. １６．５. Ｒｅ数. ５９．８. ５５．８. １６．５. １３．５. Ｎｕ数. ４３．１. ６０．９. ６３．８４９，５６３，２３９．２. ３．１１．８. １．８２．８. ３．１１．８. ２，８１．８２．８. ３．１１．８２．８３．１３３・６×１〇５．６６．２３．６５．６６．２３．６. ５．６６．２３．６. ５．６６．２. ３．６５．６６．２. ３，６５，６. ６．２３．６５，６. ５１，８５８，３. ２５，５. ５７．０６４．１４６．４. ４２．２. ６．２３，６. ２５．５. ５８．２. ５２，９. ５．６６．２. ２２．５. ２２．５２５．５. （８８）. ４９．３. ４４．８.

(10) . フェンス後方で蒸発を伴う熱伝達Ｔａｂｌｅ．２（続き）フェンス１１１（Ｈ＝３ｃｍ）. 風. 速. 主流温度. 水面温度. 蒸発量. （ｍ／）Ｓｅｃ. （℃）. （℃）. （）ｓｅｃｇ／. ３．００４，７０５，２０３．００４．７０５，２０３，００４．７０５，２０３．００４，７０５．２０３，００４，７０５，２０３，００４，７０５．２０３，００４．７０５．２０. ３１，０３１．０３１，０３１，２３１，２３１，２３０．８３１．０３１，０３１，０３１，０３Ｌ０２７，８４２８．２８．２２６，４２６，６２６．８２７．０２６，８２６，８. ２４，０２３，８２３，８２４，０２４．０２４，０２３，２２３．５２３，４２４，２２４．２２４，２２１．８２２．０２１．８２１，２２１．２２１．２２０．８２０，８２０．８. ０，３００，３２０．３７０．３００，３９０，４５０，４００．４５０．４８０、３６０，４１０．４５０，３２０．４６０．５１０，３１０．４１０，４６０，３５０，４００，４８. ３１，６３１．６３１．６３１，６３１，２３１．２２９，ｏ３１．ｏ３１，ｏ３・，２３１，２２７．８２８．ｏ２８．２２６．８２６，４２６，５２８，６２８，８２８．８２８，８２８．８２８，７２６．６２６，８２６，９. ２４，３. ０．３１０．３１０，４００，３８ｏ，４２０．４５０．３１０．５３０，５７ｏ．４０. ÷ｉ面４．７０５．２０３，００４．７０５．２０３．００４．７０５．２０３，００４．７０３，００４．７０５，２０３，００４．７０５．２０３．００４．７０５，２０３．００４．７０５．２０３，００４，７０５．２０. フェンス後方から蒸発面までの. 距. 離. ０，４９０．４００，４８０，５００，３００．３８０．４９０．４００．５００．５５０，３６０．４６０．５６０．４００，４５０．４８. Ｎｕ数. Ｒｅ数. 熱伝達率. ｚ，ｋｃｈ℃）（／ｍａ. （－）. （－）. １．０１，０１，０３，０３．０３，０５．０５．０５．０７．０７，０７．０９．０９．０９，０１１．０１１．０１１，０１７．０１７．０１７，０. ３３，８３６．５４１，４３３．８４３．７５０．４４２，５４８．６５１，１４３．３４９．１５２．６４３．２５７，４６５，０４８，２６１，１６６．３４６，１５４，６６５．４. ４５，９４９，６５６．３４５．９５９．４６８，５５７，８６６．１６９．５５８，８６６，７７１，５５８，７７８．０８８．４６５，５８３．１９０，１６２．７７４．２８８．９. ３５・４×１０８，４９，３５．４８．４９．３５．４８．４９．３５．４８．４９．３５．４８．４９，３５，４８，４９，３５．４８．４９，３. ０．７０．７０．７２．５２．５２．５３．８３．８．３，８５．０５，０６．５６．５６，５８．２８，２８．２９．７９．７９．７１０．１１０，１１０．１１２，８１２，８１２．８. ３４．７３７．４４９，３４１，４４７．２５０．４４３，５５０，６５８．９４５，０５６．７５２．２６２．６６３．０４３．２５５，８７０．２５２．２６３，０７０．１４５．４５６，８６７．５５７．６６２．６６５．５. ６３．１６８，０８９．７７５，３８５，９９１，７７９，１９２．１１０７．２８１．９１０３，１９５，ｏ１１３．９１１４，６７８，６１０１．５１２７，７９５，ｏ１１４，６１２７，５８２．６１０３．３１２２．８１０４．８１１３．９１１９．３. ３７．２×１０４１．１×１０４１，２×１０３，７，２×１０４１，ＩＸ１ｏ４１．２×１０３７，２×１０４１，１×１０４１，２×１０７，２×１０３４１．１×１０３７．２×１０４１．１×１０４１．２×１０３２×１０７．３１．１×１０４１．２×１０３７．２×１０４１．１×１０５１，２×１０３７．２×１０４１，１×１０５１，２×１０３７，２×１０４１．１×１０４２× ０１．２×１. ×／日. フェンスＷ（Ｈ；４ｃｍ）２４．３２４，３，２４．２２４，ｏ２４．０２３，２２３，２２３，２２４，ｏ２４．２２１，６２１，８２１，８２１，２２０．９２０，９２２，４２２，４２２．４２２，４２２，４２２．３２１，０２１，０２１，０. 水面への. （８９）.

(11) . 諸橋清一５〉の実験結果ではフェンス高す関ら２成することがＦｉｇ．７からわかる．ステップからのはく離に関る. の４倍長後方から流れに垂直方向に分布が一様になっているが筆者の結果もそれに近い．底板面の一部分に水面を置いた場合漣を発生することから水面上では滑らかな平板とは異なり発達した乱流境界層が形成されているものと思われるが，今回の実験では資料が不足で解明が十分できなかった．３．３熱伝達と物質伝達との関係多才Ｌ質壁面などから壁面を通して気流中に気体を吹きださせると，気流と壁面間の熱伝達率が低下することは浸出冷却の名で知られている．壁面が液面で蒸発による蒸気の吹き出しのある乱流境界層の熱伝達では却って熱伝達率が増加するという実験事実が多い．水面からの蒸発では蒸発の潜熱Ｌが大きく蒸発即ち液面からの水蒸気の吹きだしが弱く熱伝達率の増加に大きく影響するものと思われない．. 熱伝達率ゑを無次元化した配”数で論を進めよう．気体の熱伝導率をん物体の代表長をＬとすれば貼”＝ねＬ／入である．今までの議論では気流中へ置いた水面からの水の消粍はすべて蒸発によるものとして扱ってきた．気流と固体壁との熱伝達を表わすＭ“。は気流と水とのそれを配”とすると，配”／貼“。＝１．５～２の値をとるとされている．このことは対流伝熱による水の消粍が蒸発以外に何ら. かの方法で同量程の消粍があって見かけ上蒸発量が増えたものであるか，或は蒸発しつつある水面上の乱流境界層内の乱れが固体壁のそれよりも大きく熱と物質の移動を生じているものと考えられる．. 筆者の実験条件は気流に平行に置かれた平らな水面からの蒸発の条件の外にフェンス後方の乱れの大きい境界層での蒸発現象であるので固体壁のときの貼為に比して相当大きな値を示すことにな２）の蒸発機構に関する説明では自由水面からの水の蒸発で気流乱れが非常に大きく高温ｌる．Ｓｍｏｓｋｙであるときは，蒸発以外に微小水滴が分離してとびだしてきて境界層に入りその中で更に蒸発をすｒｏｗａｖｅ）が生じるためであるとしているものとしている．但しこの微小水滴は水面に微小な漣（ｍｉｃ. る．筆者の実験の条件下では漣の発生は明視できた．水容器の寸法で制限されるものか否かはわかＺ. ＭＯＤＩＦＩＥＤ. ＵＮＤＩＳＴＵＲＢＥＤＰＲＯＦＩ」Ｅ. ＰＲＯＦＩＬＥ. ②は中間領域，Ｆｉｇ．６防風林背後の境界層内部の様子． ①は前方で影響を受けない層，４） ③ははくり域， ④ははく離した流れが再付着して発達する領域２（９０）.

(12) . フェンス後方で蒸発を伴う熱伝達. ‘ 計 ‐ 一言キ. －ｙ－－－－－Ｌ」『 ÷÷－ ÷「ノ－－. ｆｕ＝／１００Ｏｏ．. ２０一. ーＥｒ. Ｌー. ｌ０８，Ｈ＝０．ｍ. 「－『。－＝］－－ずふ－－２（ａ）. １０. 豹. ０ . Ｆ仙ニーＤＯ％. ８ . ６今２０ . ‐ Ｈ：Ｑ０２ｍ. （０ー３５ｏ％ ‘ ′ ム，. ０. ｌ. １. ２. １. ３. １. ４. １ｎ. ５. ｂ（）. ４. 豹. Ｆｉｇ．７フェンス後方の底板上の乱れの強さの分布. らぬが，容器の寸法に比して波長のそれ程短い漣ではなかった．蒸発する液面上の温度や乱れの強さの分布のより精微な測定によって更に論議が進められるべきであろう．）は熱伝達に関して次ｌフェンスを置かないで気流に平行な自由水面からの蒸発実験からＳｍｏｓｋｙ２. のようにまとめている．. ８０３３０２配“＝０．０８６尺〆・ル・Ｇ“．. （４）. ８・３３Ｎ的＝０，０３７尺〆・Ｐ〆. （５）. ／”であり，また気流の絶対温度を鴇，水気体の動粘性係数を ” 温度伝導率を αとすればＰγ＝し面のそれをｒｗとすればＧ“＝鍔－ｒｗ／：である．固体壁の乱流熱伝達に関する次の実験式と比較すると次の関係をえる．. 血 . ョ. Ｔ. （９１）. 字. ２０・ル）. （６）.

(13) . 諸橋清一上式でＴｗ＜０．９８５たでありさえすれば亙” ＞Ｍ“ 。であることがわかる．水面からの蒸発が断熱状. 態で水面が温度平衡にあるとする実験の条件から任意の気流の温度Ｚ仰，蒸気濃度ｗめから水面の平ｌ衡温度Ｔｗが一義的に決まるので（６）に数値を入れて計算した値がＴａｂｅ．１に示してある．一般的に配“ ＞Ｍ“。であることがいえる．. ２）の実験と一緒に本実験のデータを甲藤２ｉ（）の関係を使って亙”数でまとめてＦ５ｇ．８に. 示す．気流と水面との温度差の少い筆者の実験値が大きく，甲藤の実験値と比較すると気. Ｎｕ. ｌｏｏ. 流温度が相当高温度の場合に匹適する．筆者の実験条件はフェンス後方の平板の熱伝達，. 或は平板の代りに水面を置き代えたものとは少しく異にする．フェンスを置いた平板でその一部分が蒸発する水面である．従って上の. ）（ｂ. 条件にある水面上の境界層は，フェンス後方のはく離域或は再付着域の中にあると同時に. －ザ. その境界層中に熱移動と同時に物質移動も行. 棒魚）～”＝ｏ．“７Ｒ署. 婚坪（”〆”；α ．６許１ず. Ｒｅ. Ｆｉｇ．８ヌセルト数Ｍ”で表わした蒸発のある面の熱伝達の実験値，（ａ）は乱流境界層での平板の熱伝達，（ｂ）は層流境界層. われているものである．単なる平板の代りに. 水面で置きかえた場合でも室内気流で熱伝達. 率は高々１０％程度増加する程度である．それが５０～１００％も増加しているとすれば，その原因はフェンスを置いたために熱及び物質移動の両者. ｉｋｏｖの言う体積蒸発による微小水滴の影響を考えざるをえが競合的に盛になっ，たものとするか，Ｌｕまし・．. ４．. 結. 今回の実験は空気力学的に粗な平板上にフェンスを置き，フェンスの後方で平板上に生ずる流れのはく離域，遷移域，境界層の再発達域に相当する各位置に水容器を埋めこんで蒸発より気流と水. 面の熱伝達の関係を求めた．実験の設定条件はフェンス後方で固体壁と気流との熱伝達や吹出しの９２０））とは少 ’ あるときの熱伝達，更に固体壁の代りに水面を使用して蒸発量を求めた筆者の先の実験１. しく性質が異なる．農業気象学的立場から言えば，防風林のある地表面に広がりのある温水池が存在するとき，防風林の後方の温水池がしめる位置と蒸発量の差異との関連を大気の中立状態で求め. ることに相当するといえよう．結果をまとめてみると次のことがいえる．（１）蒸発する液面からの熱伝達は固体壁のそれよりも増大するという既往の実験結果と同様なこ. とが言える．気流と水面との温度差の少い室温程度の条件でも，フェンスを置いたために熱伝達が可成り増大することは水面上の境界層の乱れが大きく影響していることを示している．. （２）熱伝達率を計算するのに蒸発して減量した水の量は実質全量を追求している．消粍された水ｉｋｏｖのいうように蒸発以の量全体が気流よりの対流熱伝達によるものと考えて計算した．もしＬｕ外の「体積蒸発」による微小水滴の境界層中へのとびだしがあるものとすれば，熱伝達率はより小さくなることになる．. （３）蒸発を伴う液面の境界層中の乱れが固体壁のそれよりも大きく，そのことは実際に野外の温水池の接水気層の性質からも考えられることである．温水池の表面と同様，今回の実験では容器中の水表面に漣が生ずるのが観察された．境界層中で乱れの大きいことから熱と物質輸送が増大する２（９）.

(14) . フェンス後方で蒸発を伴う熱伝達. ものとするためには更に温度変動に関するデータが必要である．以上のことより境界層中での微小水滴の挙動と温度変動に関する研究が尚必要とされる．記. 号. α ：. 温度伝導率. れ：. 熱. 乙：. 水の蒸発熱. ＬＢ：. 吻：. 水の蒸発速度. Ｎ“：ヌセルト数. 伝達率. Ｃｐ：定圧比熱ねｐ：物質伝達率ルイ. ス数. 固体壁に関するヌセルト数. ～“。：尺８：レイノルズ数Ｓぁ：シャウッド数Ｕ：. 主. 流風速. ｗｗ：水面の混合気濃度. 入：. 熱伝導率. Ｓ：. 表. 面. 積. Ｔｗ：表面温度 ”：. 平均. 風速. ｗの：主流の混合気濃度レ：動粘性係数. 文. ″：. フェンス，高. 々：. 比例定数. 粥：. 水の蒸発質量. Ｐγ：. プラントル数. ｑ：. 気流からの対流伝熱量. Ｓｃ：. シュミット数. Ｔ仰：主流温度〆：. 変動. 風速. ｘ：. 距. 離. ｐ：. 密. 度. 献. １９５７ｔｎｅｔｔ＆Ｅ．Ｒ，Ｇ，Ｅｃｋｅｔ１）Ｊ）ｒ，ＡＳＭＥ７９（，Ｐ，Ｈａｒ，，ｒ知れｓ，２４７. ｌ１２）Ｂ．Ｍ．Ｓｍｏ９６２）ｓｋｙ＆Ｇ，Ｔ．Ｓｅｒｇｅｙｅｖ２球ｇ７～５（．ノ鼠ｅの朋那ｓｒｍ７．，魔云，ｌｏｌｌｉｋｏｖ加品肌ｒ６云の１９６５３５９３）Ａ．Ｖ．Ｌｕ／（） β ｓｓ α ｍ”昧のぅ，．，，. ４）西脇・槌田・平田・山崎・秋山，機械学論文集，２７－１８０（昭３６－８）２８５，１．５）西脇・鳥居，機械学会・第４１期全国大会前刷，Ｎｏ１８（昭３８－１０）４７．９，．６）平田，機械学会誌，６８一５５８（昭４０一１２），８８３，. ７）槌田・西脇，機械学会・第４３期全国大会前刷，Ｎｏ４３（昭４）０－１０．１，２１．８）鳥居・西脇・平田，機械学会・第４３期全国大会前刷，Ｎｏ４３（昭４０－１０）．１，２５．ｉｉ＆ｉＮｉｈｉｋＭＨｉＮぎｔ２９Ｕｉ１９６６賊紡厩Ｌら９）Ｋ，Ｔｏｒ尺飾 “ ｓｗａｒ）ａａｗｎｖ α Ｑのりゆｏ “ ，，ｏｆＴｏｋｙｏ（，，，，，１８８３０）平田，機械学会誌，６８一５５８（昭４０－７），．１１）大後・西脇・槌田，第９回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９２）２１７，１，１）藤井・槌田・西脇・加藤，第１３回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９２６）７，９７．１３）沼田・加藤・西脇・槌田，第１３回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１９７６）４，９．１４）内島，農技研報，Ａ．７．６９，１）内島，農技研報，Ａ．７．ｌｏ５ｌ．１６）山本・近藤，野尻湖の蒸発（完結報）２－９），東北電力（昭４．１７）諸橋，北学大紀要，１ＩＡ，１６（１９６６）９６，．１）諸橋，北教大紀要，１８ＩＡ，２３（１９７２），２４．１９）諸橋，北教大紀要，１ＩＡ，２５（１９７４），３５．２０）諸橋，北教大紀要，１ＩＡ，２６（１９７５），３９．）甲藤・青木，機械学会論文集，３４－２２１６１（昭４３－５）２７，９． ’ ２２）甲藤・小泉・山口，機械学会講演論文集，Ｎｏ２－５（２－４）７０７４１．，１．２３）森・土方・田中，第８回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１１９７）３，７．２４）Ｅ，Ｊｔ１９７１）ａｅ．Ｐ１，掴鍔の知Ｚ，，Ａｇγ ，，８（，２０３. ２５）関・福迫・平田，第１２回日本伝熱シンポジウム講演論文集（１）９７５，２１．. （９３）.

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