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長方形流路内の伝熱特性に関する研究 (アスペクト比の影響): University of the Ryukyus Repository

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Academic year: 2021

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(1)

Title

長方形流路内の伝熱特性に関する研究 (アスペクト比

の影響)

Author(s)

澤田, 亜希子; 親川, 兼勇; 屋我, 実; 瀬名波, 出

Citation

琉球大学工学部紀要(50): 27-33

Issue Date

1995-09

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/17627

Rights

(2)

27

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Characteristics of Heat Transfer in Rectangular Ducts

( Effects of aspect ratio)

Akiko SAWADA', Kenyu OYAKAWA",

Minoru YAGA" and Izuru SENAHA"

Abstract

This paper shows how the local heat transfer coefficients along

rectangul-ar ducts rectangul-are affected by the aspect ratios of a duct vrectangul-arying in the range 1.0

-2.6 in order to obtain the basic information on the heat transfer

mechani-sms in both square and rectangular ducts. It was found that the streamwise

local heat transfer coefficients at a lower wall are higher than that at a side

wall except the aspect ratio

AP=

1. As an aspect ratio increases, the local

values on both walls increase, moreover the heat transfer coefficients at far

downstream attain to the results obtained from the circular duct or the

pa-rallel plate duct. The dependency of an aspect ratio on the heat transfer

ch-aracteristics of the rectangular duct is also presented.

Key Wards: Forced convection, Heat transfer, Aspect ratio,

Fully developed duct flow, Entrance region

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(3)

28 溜田・親川・屋我・瀬名波:長方形流路内の伝熱特性に関する研究 述のように円管の場合と異なり非円管流路内の流れは 非常に複雑になる.このため流れの相似性を仮定した 簡単な方法により円管の場合と同様に計算するのでは 精度の良い結果が得られない.従って正確に伝熱特性 を知るためには個々の場合について実験を行わなけれ ばならない. 本研究では長方形流路内の熱伝達が種々のアスペク ト比(流路の縦横比)に対してどのような特性をもつの かを明らかにし,また非円形流路での伝熱現象解明の 一助とすることを目的としている.そこで,長方形流 路内の伝熱促進における基礎研究として正方形流路, 及びそれから流路幅を8段階に伸長したそれぞれの長 方形断面をもつ流路において滑面での局所熱伝達率を 測定し,アスペクト比が局所熱伝達率,伝熱特性にお よぼす影響について実験的に明らかにした. :流路高ざ(m、) :比例定数 :相当直径(=2α6/(α+6)) :熱伝達率(W/㎡K) :下流での熱伝達率(W/㎡K) :ヌセルト数(=妬.、e/入) :局所ヌセルト数(=/、:.X/ス) :レイノルズ数(=U・De/し) :局所レイノルズ数(=ひ.X/〃) :プラントル数 :主流速度(m/s) :入口部からの流れ方向距離(m、) :流体の熱伝達率(W/mK) :流体の動粘性係数(㎡/s) :流体の密度(kg/m3) 非

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記号 AP a 2.実験装置および実験方法 :アスペクト比(=α/6) :流路幅(m、) 実験装置の概略図を図1(a)に示す.実験装置は大別

一一

BIowc「 (a)Experimentalapparatus NozzIc The「mocmDples(m〕 HBaIcdplaIc

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Z 1250 (b)Schematicdiagramoftestsectio、

Fig.1Experimentalapparatus,dimensionandsymbols

(4)

琉球大学工学部紀要第50号,1995年 29 すると①送風部!②ノズル部,③測定部により構成さ れる.送風部には片吸込みターボファン型遠心送風機 (エバラ製)を用いた.作動流体である空気は遠心送風 機により送られチャンバーを経て,ノズルを介し測定 部へと送られる.チャンバー部の開閉窓の開閉によっ て流量調整を行うことにより測定部での主流速度Uを コントロールした.主流はチャンバー出口に設置した 1/4円弧の左右に移動可能な可変式のノズルによって 絞られ,流路内に流入する.測定部である流路の概略 を図1(b)に示す. 測定流路は高さ6=50mmと一定とし,流路幅α= 50mm~130mmの範囲で移動可能である正方形およ び長方形断面をもつ全長1250mmの直線流路である. 本実験は流路幅を50mmより10mmずつ変化させた. 対応するアスペクト比はAP=1.0~2.6である.測定流 路の加熱板である上下壁および左右の側壁は厚さ10 mmのベークライト板に厚き30匹、,幅49mmのステ ンレス箔を上下面にそれぞれ4枚,両側壁に1枚接着 し,直流電流により通電加熱することにより熱流束一 定の伝熱面とした.これを各流速の空気流により測定 部を冷却し,熱的に定常状態に達した後壁面温度を測 定する.壁面温度は測定部の下壁および左側壁面のス テンレス箔裏面にハンダ付けされたd70Lzmの銅一コ ンスタンタン熱電対によりその起電力を1四Vの精度 で測定することにより求めた.熱電対は流れ方向に31 本ずつ,X=200,2501300,350,450および700mm の位置にはスパン方向に5~13本ずつの計121本設け た.熱電対をステンレス箔裏面にハンダ付けするため. 壁裏面にd8mmの熱電対取り付け用の穴を設けてい る.熱電対取付後,穴からの熱損失を防ぐためにガラ スウールを詰めて空気層を作り,さらに測定部全体を ガラスウールおよび保温性の高いスポンジで覆うこと によりベークライトを通して外部へ散逸する熱損失を 抑えると同時に壁面温度の測定精度を上げている.流 速は流路入口部に設置したピトー管により測定した. 本実験は主流速度U=10Ⅱ15,20,25m/Sで行った. 対応するレイノルズ数(相当直径を代表長営として用 いた)はRe=3.2×10`~1.2x10`である.なお測定 流路入口にd3mmのトリヅピングワイヤーを設置し 乱流域に遷移しやすくした状態で実験を行った. 3.実験結果および考察 3.1流路入口における伝熱特性 正方形ならびに各アスベクト比の長方形流路におけ る伝熱現象を実験的に明らかにするためには,流路入 口における伝熱特性を確認する必要がある.通常,管 内流れの流路入口部では境界層は層流から遷移域を経 て乱流境界層へ発達する.その際のレイノルズ数Re と局所ヌセルト数Mしは入口よりの距離Xを代表長ざ として用い,それぞれH2#]jvmUを用いるのが常であ る.本実験でも同様に代表長さにXをとり,1Vと卯と Reェの関係を求めた.なお本実験では流路全長の関係 より入口部において乱流境界層へ遷移しやすくするた めの3mmのトリッピングワイヤを取り付けてありそ の状態での結果である. 下壁面,側壁面でのそれぞれの結果をAP=1.4, 1.6,2.0の場合を例にとり図2(a),(b)に示す.図中には 3【U〆040 〈U q1 1ユnU 3R)FDAq 2 xpz ×。Z Z 2(ひ〆◎40 (U 己1 1 2864

468,05

2468,O6

Rex (a)Lowerwall 2 104

46810sZ4681O6

Rex (b)Sidewall 2 104 Fig.2Comparisonofthedataobtainedatentranceregiontotheformulaoflocalheat transfercoefficientsofturbulentboundarylayeronaf1atplate

(5)

澤田・親川・屋我・瀬名波:長方形流路内の伝熱特性に関する研究 30 平板乱流境界層の熱伝達の式ML=0.0296RenoP〆・`を 示しておく. 本実験で得られたNhLjcはトリヅピングワイヤを取 り付けているため,流路入口よりすぐに乱流境界層に 遷移した状態で発達する分布となる.ここでjvugEは低 Re域において両壁面ともに平板乱流境界層による熱 伝達の式より高い値となっているが,これはトリッビ ングワイヤを設けているため,流れのはく離,再付着 がおこりそのため局所熱伝達率が高められたこと,な らびにその際再付着下流で新たに温度境界層は再発達 をしていくものであることより,見かけの境界層発達 開始点がずれることに起因しよう.下壁面での局所ヌ セルト数はAP=1.4,1.6,2.0いずれもほぼ同じ値を とる.ここではこの3つのAPを例示してあるが全ての APについて,ほぼ同じ値をとることを確認している. 側壁の場合は下壁に比ぺると僅かにバラつきがあるも ののほぼ同程度の値を示している.これらのことより アスペクト比を種々変化させた流路形状においても入 口部における伝熱特性は平板乱流境界層における値と ほぼ等しい状態で流入してあると考えられる. 200 0000 6284 11

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X(m、) (b)Sidewall Fig3Variationofstreamwiselocalheat transfercoefficientswithvelocity していき,その分布形状は流速によらず相似となる. 本実験の正方形および長方形流路においても同様な傾 向をもち,流速とともに増大する相似分布となる.以 上,ここではAP=2.0を例にとり説明したが,上述の 流れ方向熱伝達特性は全APに対しても同様となる ここで下壁面および側壁面での熱伝達率分布を比較 してみると,下壁面の熱伝達率分布値のほうが側壁面 の値より高くなっている.その他の流路形状について は,たとえばAP=1.0の正方形断面の流路については, 若干のばらつきはあるもののほとんど両者とも同じ値 となった.しかしながら例示しているAP=2.0を含め て,長方形断面を持つ流路では全ての場合において下 壁面での熱伝達率が側壁面の値を上回る傾向をもつ. このことより長方形流路の場合は,その流路空間内速 度場,乱流応力場,ならびに温度場での非当方性倒に より境界層の発達状態が側壁,下壁で異なっているも のと考えられる. O-c 3.2流れ方向局所熱伝達率 流路形状を流路高さ6=50mm一定とした状態で, 流路幅α=50~130まで10mmづつ変化きせ実験を行っ た.アスベクト比Ap=10~2.6の範囲で0.2づつ変化 きせたことに相当する.主流速度U=10,.15,20,25 m/sでのアスベクト比を変化させた各流路形状での 流れ方向局所熱伝達率を測定した. 主流速度を変化させた場合の流れ方向局所熱伝達率 分布をAP=2.0の場合を例にとり,下壁面および側壁 面での熱伝達率分布をそれぞれ図3(a),(b)に示す.縦 軸に熱伝達率砥,横軸に流路入口(加熱開始点)か らの距離Xをとる.熱伝達率は下壁面,側壁面ともに 流路入口部!すなわち乱流境界層の発達場において急 激に減少する分布となっている.その後熱伝達率はゆ るやかに減少し,一定の値に近づき定常乱流熱伝達率 に達する.なお側壁面入口部において局所熱伝達率は X=25mm近傍で一度上昇しているが,これは流路入 口部にとりつけたトリッピングワイヤにより流れのは く離・再付着による影響によるものである.下壁面に おいても同様の現象が現れているであろうが,熱板入 口部の直後での熱伝達率が測定できなかったため,見 かけ上単爾に減少する分布となった. 通常管内乱流熱伝達分布は流速の増加とともに増大 3.3アスベクト比による局所熱伝蓮率の変化 前述のように長方形流路において,下壁および側壁

(6)

琉球大学工学部紀要第50号,1995年 31 での温度境界層の発達状態が異なることが示唆される. このことが局所熱伝達率分布,とくに発達した定常乱 流熱伝達にどのように影響するかを鯛べろ必要があろ う.そこで両壁面での局所熱伝達率をアスペクト比を 変化させた場合について比較した結果を図4(a),(b)に 示す.図中,左側よりAP=1.0,1.2と順に大きくし た場合の分布を表している.各APでの流路入口での 局所熱伝達率は前述したように,乱流境界層発達場に おける熱伝達分布を呈する.流路下流において定常乱 流熱伝達率に達した値はAPにより異なり,長方形流 路ではAP=1.2~2.6にかけて徐々に大きくなる傾向 をもつことがわかる.またAPが小さいほど定常乱流 熱伝達に達するのがより下流側に移行するようである. このことは側壁面での熱伝達分布においても同様な傾 向をもつことが確函される.しかし下壁面ほど顕著で はない.このことは上下壁および両側壁における速度, 温度分布の発達状態が異なることに起因し,あるアス ペクト比でスパン方向流れ場に非一様性が起こること によろう. AP=2.4および2.6についてはほぼ同値となってい るAP=2.0以上ではスパン方向の非一様性は消え熱 伝達率は平行平板流路の熱伝達特性に漸近していくも のであると考えられる. 下壁および側壁面での熱伝達率を比較した場合では, 流路入口部においてはほぼ同値であるが,X=200 mmより下流域においては全体的に下壁面の場合が高 くなる傾向をもつ.また定常乱流熱伝達に達する位置 は側壁面での方が僅かに上流側となっている. 3.4伝熱特性 管内乱流境界層が十分発達したと見られる下流にお いて,相当直径を用いて算出したヌセルト数Nuとレ イノルズ数Reとの関係をAP=1.0,1.6,2.0,2.6を 例に取り図5(a),(b)に示す.比較のため円管および平 行平板における十分に発達した乱流場における壁面ヌ セルト数jVu。=qO19Rel`を図中に示す.いずれの APの場合においてもReの増加に伴いjVUはMJ-=QO19 ReO`に平行に増加する分布をもつ.またいずれWV L=0.O19Relpよりも低い値となるもののAP=2.0お よび2.6がほぼ同値で最も高く,平行平板のjVu画に近 い値となっている.前項でのハヱの結果とともに本実験 での長方形流路AP=1.2~2.6の範囲でAPが大きくな る程すなわち形状が平行平板に近づくほど,砥,」V皿 とも高くなり,平行平板の伝熱特性に近づくようであ る.ここでAP=1.0の場合にやや高い値をもつのは, 本実験では確認されていないもののAP=1.0~1.2の 1m

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000J r0 Ld AP AP (b)Sidewall ltswithaspectratio (a)Lowerwall Fig、4Variationofstreamwise localheattransfercoefficiems

(7)

澤田・親川・屋我・瀬名波:長方形流路内の伝熱特性に関する研究 32 けるjVu=0.019Reuoに比例定数C,アスペクト比の影 響因子AP厄を乗じた式 範囲でノVuの最小値が存在しよう.AP=1.0の正方形 流路の場合はより円管流路の形状に近づいているため に,ノVLはよりlVu_=0.019Re叩に近づいているものと 予測される.これらの結果よりアスベクト比を変化さ せた場合,長方形流路内伝熱特性に影響を及ぼすこと が確認された.そこでⅢこの影瀞をより定量的に鯛く るため,本実験の実験レイノルズ数範囲における代表 的な値としてHg=6×105をとり,そのときのMLを 算出することよりAPとの関係について調べてみた. その結果を下壁面Ⅲ左壁面それぞれの場合について図 6(a),(b)に示す.いずれの場合もAP=1.2,1.4と大 きくなるにつれてjVUは増大していき.その増加の割 合はある一定の傾きをもつことが確認されよう.そこ でこのjVu-AP線図の傾きを几とすると下壁面でのjVu におよぼすAPの依存性は几=1/21側壁においては1 /3乗を得る.このことよりAPとMLの関係において規 則性があるものと推測され,その関係を平行平板にお M』=0.019RepβxCxAPn. (1) で表されるものと仮定すると,下壁面において M』=0.011HBOβAPI/2 (2) 側壁面において ノVu=0.O11Req0APlハ (3) を得ることができた.なお前述のようにAP=1.0~1.2 近傍においてⅣuが極小値をもつと思われるが,ここ ではAP善1を除いたものとした. 以上の結果の確認のため1本実験で得られた長方形 2 Z 386 0 1 コZ ●び8a 1 ■Z p2O O26 4 4 2

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畠'0,

6 口這 4 4 68.1246812 APAP (a)Lowerwall(b)Sidewall Fig6EffectofanaspectratioonNusseltnumber 4

(8)

琉球大学工学部紀要第50号,1995年 33 流路での下壁,側壁の1V皿をそれぞれAPI/2,APIハ で除した値ノvu/API/2,MJ/API/,とReの関係を 図7(a),(b)に示す.多少のばらつきはあるもののそれ ぞれ式(2),(3)上にのる. できた.AP=1.2~2.6の長方形流路の下壁面で ノVu=0.OllRen0API/2 側壁面において ノvu=qo11RepDAPl/3 となる実験式を得た. 4.結言 参考文献 (1)Bergles,AE、andWebb,RL.,Augmenta tionofConvectionHeatTransfer,(1971) 1,ASME. (2)親川,瀬名波,馬渕,機騰,60-575,B(1994), 2532. (3)親川,馬i)iL機騰,47-414,B(1981),308. (4)Oyakawa,KetaL,Proc、Experimental HeatTransfer,FluidMechanicsandTher modynamics,(1993),633. (5)Melling,A,andWhitelaw,JH.,J・Fluid Mech78-2(1976),289. (6)藤田,横沢,廠田,西垣,機鶴,53-4921B(1987), 2370. (7)杉山,秋山柴田,機騰,57-535,B(1991),10LL (8)明,小林,機騰,57-540,B(1991),2538. (9)贋田,横沢,鏡味,室伏,機騰,58-548,B(1992), 218. 00藤田,機鶴,45-390,B(1979),2559. 正方形および長方形流路内の伝熱現象における基礎 研究としてアスペクト比APをAP=1.0~2.6の範囲で 変化きせ局所熱伝達率を測定し,伝熱特性への影轡を 検討した.この結果以下の結論を得た. (1)アスベクト比AP=1.0の正方形流路において局所 熱伝達率は下壁面,側壁面とも同じ値を示したが, アスベクト比AP=12~2.6での局所熱伝達率は下 壁面が側壁面より高くなるまたこの現象は流速が 大きくなるほど顕著である. (2)局所熱伝達率はアスペクト比が大きくなるほど全 体的に高くなり,またより上流域で定常乱流熱伝達 率に達する傾向が見られた. (3)ヌセルト数ノVuはアスベクト比APの影轡を受け その関係はノV必Reの関係式MFOO19Rd"にアス ペクト比の影懸因子AP"を乗じた形で表すことが Lowc【Wall SjdewalI 10コ 8 6 1oz 8 6 目角くヨヱ 日田くぅZ P2460024 4 4 ロ2.4 ▲2.6 ▲2.6 2 468lO9 Rc (a)Lowerwall Fig、7 2 246810D RC (b)Sidewall Nu/APnandRe Relationbetween

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