3次元壁面噴流による断熱壁面上の温度効果についての研究 第2報:2個の正方形噴口を持つ場合: University of the Ryukyus Repository

Title

3次元壁面噴流による断熱壁面上の温度効果についての研

_{究 第2報:2個の正方形噴口を持つ場合}

Author(s)

長田, 孝志; 親川, 兼勇

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(5): 17-28

Issue Date

1972-03

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/24034

17

3

次元壁面 噴流 による断熱壁面上 の

温度効果 についての研究

第

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個 の正方形 噴 口を持つ場合 十

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ln the previous report,Experimentalresults ofthejet developmentand the temperatureeffectivenessontheadiabaticflatsurfaceinthethree･dimensionalwall jetflow are discussed･This paperdeals with a continuousexperimentalstudyin whichtheflow andthetemperaturefieldsontheadiabaticflatsurfaceinthethree -dimensional,incompressible,turbulentwalljetflow issuingfrom twosquarenozzles arediscussed.

Maximum velocitydecaysandgrowthesofhalf-velocitywidthesonbothcentral linesof thenozzleand theflow,growth ofequi-velocity lines,anddistributionof the temperatureeffectiveness are reported with varylng thecentraldistanceof thenozzles,theinjectionvelocityandthe二temperatureoftheinjectionjet.Theflow

fieldsofsuchjetsarefoundtobecharacterizedbytwodistinctregions;Oneshows two peaksflow and the other shows one peak flow which is observed at far downstream.The flow patternsas wellas thetemperature distributiondifferat bothreglOnS.Transitionpointsbetweenthesetwosituationsaremuchdependingon thecentraldistanceofthenozzles,butlessontheinitialvelocity.

Flow visualization,withusingoil-film technique,has beentried toobserveand grasp the inducedflow situation (or entrainmentofsurrounding fluid)alongthe wall,andreasonableexplanationfor thevelocitydefects in the neighbourhood of thepotentialcoreregionscouldbeobtainedbyitsphotographs.

一I受付 :1971年9月30日

18 長田 ･親川 :3次元壁面噴流による断熱壁面上の温度効果についての研究

1

緒 言

1

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前報告において

,

1個の整形噴口か ら噴出 し隣接す る平行平板に沿 って接線方向に拡散す る流れの場 と加 熱空気 を噴出 した場合の断熱壁 面 上 の 温度効果 につ いて.噴口縦横比,噴口速度および噴出気流温度 を変 化 させその実験結果について考察 を行 って来たが,本 研究はその継続問題 として2個の同一寸法の正方形 ノ ズルから噴出 し隣接平板 に沿 って接線方向に拡がる流 れの腸と加熱空気を噴出 した場合の断熱平板上の温度 効果について実験的に調べることを試みた｡ このような流れの現実的な問題は,加熱表面の冷却 やその逆の場合のガラス面等の霜除去,氷結防止 ある いは製糸,染色工場等における連続乾燥過程等に見 ら れ る｡ とくに高温ガスか ら物体壁面を保護する手法 と してのFilm Coolingの立場においても,構造物の耐 久性の観点か ら2次元的な吹出 しよりむ しろ短いス リ ットや小孔列か らの吹出 しが望まれ,このような3次 元的に形成 され る壁面噴流の解明はFilm Cooling技 2)､4) 術 に大きく貢献す るものである｡ 2個のノズルか ら噴出す る3次元乱流噴流の研究に 3) 関 し岡本等は,オフセットした平板に平行に置かれた 円形 ノズルか ら出る噴流の平板-の偏向現象すなわち コアンダ効果に着 目して行い,オフセット距離 を変化 させることにより平板上の静圧分布,噴流の拡が り, 最大速度の減衰および最大速度の点における静圧変化 4) 等 を実験的に研究 している｡またE.R･G.Eckert等は 不連続吹出 しによるFilm Cooling効果の研究で円形 噴口の孔列(ピヅチ :30,D :直径)より3次元的に形 成 され る気嘆層の断熱特性 を点熱源モデルの重ね合せ

FRPBinarysquarenozzle

ち/A-1.0and L/A-3.0A-31,6mm

として吹出 し比 を変化 させ解明 しているが,主流が静 止状態における気膜層の挙動 に つい て は触れていな い｡この様に2個のノズルか ら出る乱流壁面噴流 につ いては殆ん ど研究されていない現状であるO そこで著者等は2個の定形ノズルか ら出る3次元非 圧縮性乱流壁面噴流について,噴口縦横比 を固定 して 噴口の中心 間隔, 噴口速度, 噴出気流温 度 を変化 さ せ,流れの場 と断熱壁面上の温度効果の分布 について 実験的研究を行った｡ 芸己 号 L :噴口中心間隔 (mm) レ 二動粘性係数 (㌦/S) Cp :定圧比熱

Z

:流れに対 して横垂直方向を示 し,+.-の符 号は流れの下流か ら上流に向 って右側が+, 左側が-である｡その他の記号および添字は 第一報に準ずる0

2

空漠装置および裏壌範困 送風機,風胴,絞 り部までの実験装置は前報の実験 に使用 したものをそのまま使用 し,絞 り部に対 しては 2個の噴流の流量調整のため中央部 に平板 (6mm厚 さ)で作 られた回転翼を設け,絞 り部出口には圧力監 視用静圧孔 (0.8〕mm￠) を設けマノメータで大気圧 との差でチェックできるようにした｡ ノズルは強化合成樹脂 (FRP)を硬化 させて製作 したFRPノズ/レ(Fig.1) と鋼板で作 られた小型 ノ ズル (Fig.1) の両者 を使用 し,各々のノズルの平行 部には静圧孔 (小型ノズルには0.32mm少,FRPノ ズルには0.8cmm

￠

)

を設けてある｡

Smallbinarysquarenozzle B/A-i.0and L/A-8.0A-610mm Fig.1 SchematicdrawlngSOftwobinarynozzles

琉球大学理工学部紀要 (工学篇)

Table 1 Locationofthethermocouplesmountedontheadiabaticflatplate(UNIT:mm)

19

気流の加熱は熱風発生機 を遠心送風機の吸入 口に連 結 した.断熱平板の構造は測定平板 として1010×550

のべ-クライ ト板 (t-15mm) を使用 し, 断熱箱 は高 さ15〇mmで ガラ ス繊維, お が くずを入 れてあ るo壁面温度の測定ば 予め検定 されたcu-con熱電対 (0.32mm中線径)を表 Ⅰに示す 位置に合 計147個埋 め込み,切替スイッチ を-て高感度Microvoltmeter で測定された.流れの場の測定は注射針を矩形にか し めて作 られた全圧管こ開口部〇.30×0･8つ,0･40×1･0) 2個を使い,静圧管は直径1.40mm の 注射針にL/D -8.0の位置に0.32mmの静圧孔を2個 あけて使用 し た｡ 実簡範囲として噴口の縦横比B/A-i.0に固定 し, 噴口中心間隔L/A-3.0,8.0の 2種類について噴口 速度 と噴口気流温度 を小型 ノズル の場合 (A-B-6.0, L/A=3.0), Uj-17.E:∼5em/Sま で 5段

階,Tj-/:5cc∼117oCまでの5段階に変化 させ, F RPノズル (A-B-31.6,L/A-3.0) の場合は UJ-E5.7だけについて行 った｡

3

流れの場

3-1

噴流中心繰上および噴口中心線上の速度 分布 流れの場は 1個の矩形噴口を持つ壁面噴流 と同様に 噴口出口における速度の矩形波分布の確認 と2個の噴 口速度が同 じになるように充分チェックした後に測定 を行 った｡ 流れの機構は本質的に は 1個 の噴口の 場合と同 じ で,各々の噴口か ら噴出 した噴流は先づ独 自にポテン シャル コア領域を形成 し,後方にい くにしたがって周 囲の静止空気 を誘引 しつつ拡散 を行 うことは想定出来

20 長田 ･親川 :3次元壁面噴流による断熱壁面上の温度効果についての研究 る｡ したがってポテンシャル コア領域における静止空 気 との摩擦作用が非常に大きいことを考慮 した場合, その弊接 した附近では複雑な誘引流れが存在 し速度分 布に欠陥 を生 じせ しめることは新報において指摘 した

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ことである｡ この事実を考 慮 して 噴口中心線 (Z= 23mmおよび44.8mm)上のxの各位 置においてg方向 速度分布を測ると同時にUの値の数点においてZ方向 -の トラバースも行 った｡ 測定 結 果はFig.2, 3, F

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Fig.5 VelocitydistributioninZ-Y plane 4, 5に示 され,ポテンシャルコア領域のZ方向速度 分布を示すFig.2か らわかるように 2噴流の中間部に おいて明らかに速度欠陥が生 じているOさらに同 じ断 面内においてZの異なる位置におけるg方向速度分布 はFig.3に示 される様に噴口中心か らずれ るにしたが って対称的に速度欠陥を生 じている｡Fig.4に示す位 置では2噴流の中間部の空気は次第に加速 されてきて 相当な速さに達 し噴流中心線 (Z-0) を境いにして 21 2ピーク型の対称形分布を示 している｡この速度分布 に対 して とくに注 目すべきことは, 最大速度の 位置 (9-15mm で)2個のピーク点が噴口中心線か らずれ ていないことである.この事実は2個の噴流は互いに 直進 し中心軸は偏向 しないことを示す ものである｡一 方Fig.5は充分後方における速度分布で 1個の矩形噴 口を持つ壁面噴流の速度形態 とほぼ一致 している｡

22 長田 ･親川 :3次元壁面噴流による断熱壁面上の温度効果についての研究 B j王t.帥 l㌔ 1

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Fig.7 Zdirectionalvelocltyprofilesatthepointofmaximum velocity

Fig.6, 7は実験条件 を変えた場合における最大速 っている｡ これ らの速度分布においても2個のピーク

度の位置でZ方向に トラバースした結果である｡両者 間隔はそのまま保たれ,流れが偏向 していないことは

共にエ-200(x/A-33)までは 2ピ-ク型の流れを 前述のとお りである｡

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Fig･9Maximum velocitydecayforL/A-8.0 線上および 噴流中心線上に おける最大 速度の 変化の 様子を示す｡噴流中心線上における最大速度は流れ方 向へ次第に発達 し,噴口中心線上における最大速度は 城表 して くる.この両者が一致 した近傍においては2 gtTjの中心間隔ではほぼ2次元壁面噴流の形態が成立 し,その速度減衰が(I/A)-1/2に 比 例 す る区 間が 存在 している｡そののちの速度減衰はFig.8で示 され る様に1個の矩形噴流の 場 と同 様 に (I/A)-1･0に 比例 している｡ ニ3

3-2

噴流の成長 Fig.10はFig.8に示す もの と同一の実験条件で噴流 の 9方向半値幅の発達状況 を示 した ものである｡噴流 中 心線上および噴口中心線 における各々のgO･5の発達曲 線の交点はほぼx/A-23であ り, Fig.8か ら確認 さ れた位置 と一致 している｡ 1個 のピ-クを持つ噴流形 態に移行 したのち,半値幅の成 長は (I/A)1･0に比 例 し前報 における結果 と相違 を示 している｡

.24 長田 ･親

川 :

3次元壁面噴流による断熱壁面上の温度効果についての研究

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Fig.ll Equi･velocitylinesin ZIY plane-at X/A-2.85 Fig.ll,12,13は L/A-3.0,Rej-1.09×105の もとにおける等速度線 のx方向- の変 化 を示 してい る｡前項においても考察 したようにFig.11においてポ テンシャルコアの両横において凸状を示すのは速度分 布の欠陥に起因す るものである｡Fig.12,13において P

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Fig.13 Equi･velocitylinesin

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plane atX/A-31.6 コアンダ効果によって Z軸方向- 急速 に拡 が る傾向 が見 られ る

4

濃度効果の分布 守- (Tw-Tco)/(Tj-T∞)で定義され る温度 効果 (Temperature Effectiveness) は断熱壁面の 表面温度,噴出気流温度を直接測定することによりそ の分布を知ることができ,Fiig.14,15は噴流中心線上 I. l一 ● T&jj:7=I.652^.2`一C〇` 叫 こ

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Fig.15 DistributionofeffectivenessintheZdirection におけるでmで無次元 したZ方向の冷却効果 (温度効 果)の分布を示す.速度分布 と同様にx-200(I/A ≒33)までは 2ピーク型 を示 し

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以後では 1ピーク型に移行 している,また2個のピー ク間隔がほぼ噴口中心間隔 と等 しく保たれていること も流れの場 と一致 している｡ 従来,温度

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Fig･17 Growth ofheated(orcooled)widthin

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Picture 1 Flow visualizationnearthenozzle exit A-B-31.6,L/A-3.0and Rej-1.09Ⅹ1C5

写真撮影 の結果 は写真 1, 2, 3に示す｡ 2噴流 の 外側における誘引流れは写真 1, 3に見 られ る様 にx 軸 (または平板) に対 して相当な傾 きを持 ってお り, ポテ ンシャル コア近傍 における誘引作用が活発である

琉球大学理工学部紀要 (工学篇) 27

Picture 2 Flow visualizationnearthenozzle PicturC 3 Flow visualL-ationnearthenozzle exitA-B-31.6,L/A-3.0and

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28 長田 ･親川 :3次元壁面噴流による断熱面上の温度効果についての研究 ことがわかる｡また2噴流の中間部においてはエ軸上 近傍から2方向に分れてゆるやかに逆流 しながら噴流 に誘引されている様子が見 られる｡ 写真撮影の結果か ら誘引流れの挙動 をデッサンした ものがFig,18である｡Fig,18の右側の図は

x-

3断 面における流れの模様を示 したものであるがこの断面 においては油膜法による可視化ができず,糸 くずおよ び煙の動きを戟姦 し,写実撮影の結果 と給合 して描い たものである｡

6

桔 輸 2個の矩形噴口を持つ非圧縮乱乱流壁面噴流の挙動 とその流れの場における断熱平板上の表面温度効果に ついて実験的研究を行い次の結果 を得た｡ i. 2個の矩形噴口を持つ乱流壁面噴流において 2ピ -ク型から1ピーク型流れ-の移行は噴口中心間隔 L/Aに左右 され, 噴口速 度の影響 を余 り受けず各 々の味流中心軸は偏向 しない｡ 2. 2噴口中心間隔 L/A-3･0の時. I/A=23まで 2ピーク型流れを示 し, それ 以後 の流れ では 1ピ ーク型流れに移行 し,最大速度の減衰は 1個の噴口 を持つ場合 と同様 に (I/A)11･0に比例 し

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1･0に比例する｡ 3. 2噴口中心間隔 L/A-8.Oの暗, 2ピーク型流れ か ら1ピ ーク型流れへ の 移行はx/A-50で行わ れ,噴口速度の影響を余 り受けない｡ 4. ポテンシャルコア近傍において各々の噴流の両横 壁近 くで強い誘引流れが存在 し,速度分布に欠陥 を 生 じしめる｡ 5.噴流中心線上の温度効果 かmの 減衰は (∫/A) Rej-I/3-2.5(∫/A≒40-50) 以後の領域でほぼ (I/A)-1に比例する｡ 最後に,本実験を進めるに当り,装置製作の面で 本学部機械工学科実習室の当間進一氏,真書志清氏 に協力 していただき厚 く謝意を表す るOなおこの研 究は琉球大学研究助成費の援助により行なわれたこ と附記す る｡ 拳 考 文 献 1) 長田孝志 他,本論文集掲載

2) ∫

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H.Chin,etal,Trans･ASME,Ser･C, vol.83(1931) PP 281-286 3) 岡本哲史 他,日本機械学会講演論文集 No.700-7(1970) PP 143-146 4) E.R.G･Eckert･機械の研究,γol23, No.4 (1971) PP671-674 5) 浅沼強,日本機械学会誌,Voll72,No1609 (1969)PP 1370-1377