小 円柱が及 ぼす衝突噴流熱伝達への影響

長野工業高等専門学校 ･紀要第31号(1997) 7

小 円柱が及 ぼす衝突噴流熱伝達への影響

羽 田 喜 昭   倉 澤 英 夫   土 屋 良 明   中 部 主 敬   鈴 木 健 二 郎

An Impinging Jet Heat Transfer Affected by a Small Cylinder Yoshiaki HANEDA Hideo KURASAWA Yoshiaki TSUCHIYA

Kazuyoshi NAKABE and Kenjiro SUZUKI

Heattransfermeasurementswereconductedforatwo‑dimensionalimplnglngjetinwhichacylinder wasmodntedrigidly.Airjetwasdischargedfromarectangularslothavingthewidth,h,of15mmandthe aspectratioof33.ThejetReynoldsmmberwassetatabout10,000.Thediameters,D,ofcylinderswere 4,6and8mm andthedistancebetweenthecylinderandtargetplatewasrangedwithin5timesofthe cylinderdiameter.LocalNusseltnumberattainedaroundthestagnationpointwasaugmentedalittleby insertionofacylinder,however,meanNusseltnumberwasnotaugmentedincomparisonwiththe maximum meanNusseltnumberattainedinacaseofinsertionofnocylinder.

キーワー ド:衝突噴流,円柱,熟伝遼,強制対流

1.緒 言

供給流量が少なく伝熱制御が容易な うえ, よどみ 点近傍で高い熱伝達係数が得 られる衝突噴流 は,工 業上幅広 く応用 され,従来 よ り多 くの研究1)2)が な されてきた｡特に近年 ガスタービン翼の冷却手段 と

①Inverter②Blower③Cooler④Diffuser(勤WireMesh

@ GuideVaneO Honeycomb@ SettlingChamber

@ Nozzle@ TargetPlate@ EndPlate@ SidePlate 図1 実験装置概要

本研究 は平成8年度長野高専教育研究特別経費 の助成 を受 け行われた

一機械工学科助教授

= 機械工学科教授

●= 信州大学工学部教授

#京都大学大学院助教授

##京都大学大学院教授 原稿受付 1997年9月19日

して注目されているが, このよ うな内壁の冷却 にお いては内部流が生 じ,そのため よどみ点近傍で さえ 熱伝達係数の低下3)がみ られ る｡高温 ガスター ビン 翼の冷却効率を高め ることは, クーピソの熱効率向 上お よび省エネルギーの観点からもきわめて重要で あ り, よりいっそ うの伝熱促進が要求 されている｡

平板あるいは物体 まわ りの熱伝達増進法 として, (1)噴流中に円柱群4)を挿入 した場合,(2)衝突平板前 方に多孔板5)6)を設置 した場合,(3)噴流へ の音波 の 入力 あるいは脈動噴流7ト9)による場合,あるいは(4) 物体 に近接 して平板 を設置 した場合10ト 12)な どが報 告 されている｡ しか し噴流中に一本の円柱を挿入 し た際の平板熱伝達への影響 に関する研究はあま りな

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H l

図2 座標系

羽田喜昭 ･倉揮英夫 ･土屋良明 ･中部主敬 ･鈴木健二郎 されていない よ うで ある｡ さらに円柱 を弾性支持 し

円柱 を積極 的に振動 させた際の衝突噴流熱伝達 に関 す る研究 はいまだな され ていない よ うである｡

そ こで本研究 は円柱 を弾性支持 した場合 の結果 と 比較す る上 で重 要 な円柱 を固定 して設置 した場 合 を 扱 うこととす る｡円柱径 お よび円柱 と平板 との隙間 を変化 させ,その際 の平板上 の熱伝達の変化 を実験 的 に明 らかにす るこ とを 目的 とす る｡

お もな記号

H :ノズル と衝突平板 の足巨離 h :噴 出 口短辺

Uo :噴流 出口速度 D :円柱直径

L :ノズル と円柱 中心 の距離 C :円柱 と衝 突平板 との隙間 yi :円柱 のオ フセ ッ ト距離

Q :総発熱量 T^w :表面温度 To :風洞内温度 q｡ :伝導損出 入 :空気 の熱伝導率 Nu :平板局所 ヌセル ト数 Nun :平板 の平均 ヌセル ト数

Re :レイ ノル ズ数

2.実験装置および方法

図1,図2は実験装置 および座標 系をそれぞれ示 す｡噴 出 口短辺hが15mm, アスペ ク ト比 が33の長 方形 ノズル よ り空気 が噴 出され る｡噴出 口長辺 と等 しい幅 に2枚 の端板 が設置 され, この間 に円柱 を固 定 した｡円柱 直 径Dは,4,6,8mmの3種 類 で あ り,噴 出 口短辺 に対 す る比 はそれ ぞれ0.27,0.4,

0.53で あ る｡伝 熱 実 験 用 衝 突 平 板 は500mmX500 mm(厚 さ10mm)の ア ク リル樹脂 製 で あ り, これ

表 1 円柱 と衝突平板の設置条件 yi/D‑0,0.5 yi/D‑0

円柱径D(mm) ノズル円柱 円 柱 平 板 ノズル平板 ノズル円柱足巨離 固 定 隙 間 変 化 距 離 固 定 足巨 離 (L/h) (C/D) (H/h) (L/h) 4 5 0.5‑5 7 3‑6.3 6 5 0.5‑5 7 3‑6.3

円柱径D(m) ノズル円柱 円柱 平 板 オフセット^足巨 離 隙 間 固定 yi/D L/h C/D

00

S･oouPnN

l

;.i:5?,.et205% 8UL:hi‑0‑5:71sm oO

A1 ^也. ｡畠

‑2 ‑1 0 1 2 y/h

(a)平均速度

y/d D=4Jmm Uo:10m/S

oO 〟h=5.7

◇0.5

‑2 ‑1 0

12

(b)乱れ強さ

図3 円柱後方の平均速度 と乱れ強さ

l十 Re^l=9.2lX10l3‑1一.OX1l04

8 ^●

●● :

6̲一一一‑‑‑G‑A‑R/l,7;こlR‑e‑=丁.l‑.‑t.)‑ー H/h

図4 ノズル平板距離によるよどみ点局所 ヌセル ト数の変化

̀■ご10 ‑5 0 5 10 y/h

図5 円柱を挿入 しない場合の局所 ヌセル ト数分布

小 円柱が及ぼす衝 突噴流熱伝達への影響

に幅50mm,厚 さ20JJmの ステ ソ レス銅箔 を7枚直 列 に貼 り合わせ通電加熱す る ことで ほぼ等熱流束 が 得 られ るよ うにした｡ ステンレス鋼表面温度測定用 直径0.1mmの ク ロメル‑アル メル熱電対 が板 の中 央部y‑ ±230mm内 に81本 固着 され て い る｡ また 衝突平板 の裏面 に23本 の熱電対 を固着 し熟伝導損 出 の評価 に用いた｡熱放射 による損 出は無祝 し平板 の 局所 ヌセル ト数を次式で定義 した｡

‑5 0 5 10 y/h

(a) D/h‑0.27

10

‑5 0 5

y/h (b) D/h‑0.4

‑5 0 ^{5 10}

y/h (C)D/h‑0.53

図6 円柱 と平板距離によるヌセル ト数 分布

Nu‑ [(Q/A)‑qc]h/(Tw‑T.)A

噴流出 口速度Uoはイソバ ‑タで送風機 の回転 数 を調節す ることで10m/Sに固定 した｡噴流出 口速度 お よび噴 出 口短 辺 に基 づ くレイ ノル ズ数Reは約 10,000である｡ ノズル と衝突平板 との岸巨離Hは よど み点 局所 熱伝達 率 が極 大 とな る範 囲1)を考 慮 し3≦

H/h≦10とした｡

5 10 y/h

‑5 0

(a) D/h‑0.27

ー5 0

(b) D/h‑0.4

5 10 y/h

5 10 y/h

‑5 0

(C)D/h‑0.53

図7 円柱設置位置によるヌセル ト数 分布 の変化

10 羽田喜昭 ･倉洋英夫 ･土屋良明 ･中部主敬 ･鈴木健二郎 実験条件 を表1に示す｡平均流速 および乱れ強 さ

は,Ⅰ型熱線 プローブによ り測定 した｡

3.実験結果および考察 3. 1 流れ場特性

衝突平板を設置 しない場合の円柱後方の定性 的流 れ場 の変化を検討す るため,直径4mmの円柱後方8 mmでの平均速度分布 お よび乱 れのrms値分布 を 図3(a), (b)にそれぞれ示す｡円柱後方で平均速度 は 極小 とな り,乱れ強 さは極大 となる｡円柱位置 をy 方向に変化 させた場合,平均速度の最大値 は自由噴 流のそれ と比 べてほぼ同 じものの,乱れ強 さは 0≦

y/h≦0.5の範 囲 で噴 流発達領域 の値 とほぼ同 じに な る｡ なお円柱後 方 で は360Hz付近 に周 波数 の ピ ークが認 め られ た｡ しか し,衝 突平板 を円柱 後 方 C‑20mm(C/D‑5)に設置 した場合 には, この周波 数付近 に周波数の ピークは存在 しない｡ したが って 円柱後方に平板を設置 した場合, カルマン渦の発生 は抑制 され るもの と思われ るが詳細 は今後 の課題 で ある｡

3. 2 伝熱特性 (円柱を挿入 しない場合) ノズルー衝突平板距離 によるよどみ点局所 ヌセル ト数Nu｡の変 化 を図4に示す｡Gardonら¹⁾の結 果 に比 べNu｡値 は大 き くそ の極 大 とな る位 置 はH/

h‑7付近 である｡局所 ヌセル ト数値 の定量的差異 については今後の課題 である｡本報告では,円柱 を 挿入 した場合 の局所 ヌセル ト数への影響 を,円柱 を 挿入 しない場合 に よどみ点局所 ヌセル ト数 が極大 と なるH/h‑7における局所 ヌセル ト数分布 と比較す る こととす る｡図5はH/h‑7にお け る局所 ヌセ ル ト数の5回の再現性 を検討 した ものであ り, よどみ

‑5 0 5

y/h

10 図8 円柱 とオフセ ット距離による局所 ヌセル ト

数分布の変化

点付近 で最大8%のばらつ きが認め られた｡ この算 術平均値を以下 に示す実験結果 との比較 として図示

した｡

3.3 伝熱特性 (円柱挿入の場合)

図6(a),(b),(C)は円柱 を噴流中心軸上し/h‑5に設 置 し, 円柱 と衝突平板 との隙間比C/Dを変化 させ た場合 の局所 ヌセル ト数分布を示す｡いずれの円柱 径 において も円柱背後の再循環流が存在す ると思わ

ー5 0

(a) D/h‑0.27

‑5 0 5 10 ynl

(b) D/h‑0.4

‑5 0

(C) D/h‑0.53

図9 円柱平板距離による局所 ヌセル ト数 の変化(円柱をオフセ ットした場合)

小円柱が及ぼす衝突噴流熱伝達への影響

図10 円柱位置による平板の平均ヌセル ト 数の変化

れる領域で局所 ヌセル ト数 は極小 となる｡ この局所 ヌセル ト数の極小値 は円柱径が大 きいほど小 さくな る｡ しか し,円柱か らのせ ん断層の衝突す る付近 で 局所 ヌセル ト数値 は極大 とな り図中実線の最大値 よ り大 きくなる場合 もある｡ この極大値 は円柱 と衝突 平板 の隙間比C/Dに依存 してお り,C/D‑5と隙間 比を大 きくした場合 には低 い値を示す｡ この ことは 局所 ヌセル ト数のよどみ点付近 の極大値が最大 とな る適当な円柱 と平板 との隙間比 の存在 を示唆 してお

りおおむねC/D‑∴1‑ 2付近 である｡

図7(a), (b),(C)は衝突平板位置 をL/h‑7に固定 し,円柱の設置位置 を変化 させた際の平板局所 ヌセ ル ト数分布 を示す｡円柱を噴流のポテンシャル コア 領域 内(L/h‑3)に設置 した場合 いず れ も局 所 ヌセ ル ト数の低下がみ られ るが,円柱 を噴流の遷 移領域 内L/h≧5に設置 した場合 には, よどみ点領 域近傍 で局所 ヌセル ト数の増加が認め られ る｡

そ こで,円柱位置 をL/h‑5,円柱 と衝突 平板 と の隙 間 比 をC/D‑2と固 定 し,直 径D‑4mm(D/

h‑0.27)の円柱 を噴流軸か らy方向に変化 させ設置 した際の局所 ヌセル ト数分布 を図8に示す｡ いずれ のオ フセ ッ ト比yi/Dにおいて も,局所 ヌセル ト数 の最大 となる位置 はy‑0付近 で あ り,その値 は円 柱を噴流軸か らオ フセ ッ ト比yi/D‑0.5付近 に設置 した とき大 きくなる｡ したがって,噴流の最大速度 と円柱か ら発生す るせ ん断層 とがほぼ一致す るよ う な位置関係の時, よどみ点付近の伝熱促進 には効果 的であるといえる｡図9(a), (b),(C)は円柱中心を半 径分だけ噴流中心軸 か らy方向へ オフセ ッ トし円柱 と衝突平板 との隙間比 を変化 させた際の局所 ヌセル ト数分布 を示す｡いずれ の隙間比C/D値 において ち,局所 ヌセル ト数 の最大値 は図 中実線 の極大値 (y‑o)よ り若干大 きい｡円柱径 による大 きな違 い はy/h‑1付近 のNu分布 の極 小値 に現 れ円柱径 が 大 きいほどその値 は小 さい｡

ll

図10は円柱を噴流軸上 またはyi/D‑0.5に設置 し た際 の円柱平板隙間比 に よる‑10≦y/h≦10の範 囲 内の平均 ヌセル ト数分布 を示す｡ いずれの円柱径 に おいて も隙間比C/Dに よる変化 は小 さ く,条件 に よっては図中実線 に比べ て小 さくなる場合 もあ る｡

これは前述 のよ うに円柱後方での局所 ヌセル ト数 の 低下部分が平板 の平均 ヌセル ト数 に大 き く影響 して いるためである｡

4.結 言

二次元噴流中に小 円柱 を挿入 し,円柱 と平板 との 隙間比 による平板 の局所 ヌセル ト数分布 について検 討 した結果次の ことが明 らかになった｡円柱 を設置 しない際 に, ノズル と衝突平板 との距離が噴 出 口短 辺の7倍で得 られ るよどみ点局所 ヌセル ト数 の最大 値 よ り,円柱を設置 した場合局所 ヌセル ト数 は若干 増大す る場合がある｡ しか し,平均 ヌセル ト数 には 円柱 を設置 して も大 きな増進効果 は得 られない｡

参 考 文 献

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