円柱背面における熱伝達機構 : 円柱直径の背面熱
伝達への影響
著者
布施 肇, 小山 隆行, 下吉 光明, 加治屋 厚廣
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
29
ページ
7-15
別言語のタイトル
Heat transfer mechanism on the rear surface of
a cylinder : the effects of cylinder diameter
on the rear heat transfer
円柱背面における熱伝達機構 : 円柱直径の背面熱
伝達への影響
著者
布施. 肇, 小山 隆行, 下吉 光明, 加治屋 厚廣
雑誌名
鹿児島大学工学部研究報告
巻
29
ページ
7-15
別言語のタイトル
Heat transfer mechanism on the rear surface of
a cylinder : the effects of cylinder diameter
on the rear heat transfer
円 柱 背 面 に お け る 熱 伝 達 機 構
一 円 柱 直 径 の 背 面 熱 伝 達 へ の 影 響 一布施
肇 ・ 小 山 隆 行 ・ 下 吉 光 明 ＊
加治屋厚庚
(受理昭和62年５月30日） ＨＥＡＴＴＲＡＮＳＦＥＲＭＥＣＨＡＮＩＳＭＯＮＴＨＥＲＥＡＲＳＵＲＦＡＣＥＯＦＡＣＹＬＩＮＤＥＲ−ＴｈｅｅｆｆｅｃｔｓofcylinderdiameterontherearheaｔｔｒａｎｓｆＥｒ−
ＨａｊｉｍｅＦＵＳＥＴａｋａｙｕｋｉＯＹＡＭＡ，ＭｉｔｓｕａｋｉＳＨＩＭＯＹＯＳＨＩ、
andAtsuhiroKAJIYA lnthisresearchthecylinderdiameterwaschangedanditwasinvestigatedwhatkindofheattransfer mechanismoccurred、Thefollowingconclusionsaredraw､．（１）Therearheattransferisdeterminedbythemagnitudeofthediffusioｎｅｆfectinthecaseofa
largerdiameter．（２）Inthecaseofasmallerdiameter,thethedevelopmentoftheshearlayerispreventedbythelow
frequencycomponentsofafree-stream，andtherearheartransferdecreaseｓａｔＲｅ＝７０００ａｎｄＲｅ＝
10000．However，atalargerReynoldsnumber，theenergyofashearlayervortexincreases，andthe
e
n
e
r
g
y
i
n
c
r
e
a
s
e
s
i
n
t
h
e
v
i
c
i
n
ｉ
ｔ
ｙ
ｏ
ｆ
ｔ
ｈ
ｅ
ｒ
e
a
r
s
t
a
g
n
a
t
i
o
n
p
o
i
n
t
,
ａ
ｓ
w
e
l
l
､
T
h
e
r
e
f
o
r
e
，
t
h
e
r
e
a
r
h
e
a
t
t
r
a
n
s
f
e
r
increases． １ ． 緒 目 はく離流における伝熱機構解明のため，その代表と して円柱背面における伝熱機構を選び，その関係する 個々の要因とその影響を検討することにより機構の解 明を行っているが，現在までのところ次に示すような 機構を明らかにすることが出来た。 主流乱れにはく離せん断層の乱流への遷移に関係し た周波数以上の成分が含まれると,遷移は早まり，せん 断層の拡散効果が増大して背面熱伝達は上昇する。'） はく離せん断層には２種類の形式があり，条件(レ イノルズ数，主流乱れ，直径など）によりそのいずれ かの機構があらわれるが，レイノルズ数によっては低 周波の乱れ強さの少しの変化でも，それらの間の遷移 現象が変化することが分った｡2)これらの現象は我々 *九州松下電器 のこれまでの研究により，レイノルズ数範囲は勿論で あるが，主流乱れと直径の影響を受けることが考えら れたので，本研究では乱れを統一して直径の変化によ る影響を求めた。 ２．実験装置および方法 加熱円柱の構造や熱伝達率の測定法は既報')･2)の通 りである。使用した風洞は吹き出し型で８ｍｍ円柱は 小風洞，１６ｍｍと20ｍｍ円柱は大風洞を用い，ブロッ ケージ比はそれぞれ0.052,0.040,0.050であった。 主流乱れ強さは表ｌに示すように出来る限り低い値と し，また同じレイノズル数（Re＝Ｕ｡｡りん，Ｕ･･：主流 表 １ 低 周 波 王 流 乱 れ 強 さ 円 柱 直 径 Ｄ ＝ ８ ｍ ｍ Ｄ ＝ 】 ６ ｍ ｍ Ｄ ＝ ２ ０ ｍ Ｉ Ｔ Ｒ ｅ ＝ ０ ７ × １ ０ ‘ ０ ３ ５ ０ ３ ３ ｅ ＝ ０ × ‘ ０ ２ ４ ０ ２ ７ ｅ 二 Ｉ × ‘ ０ １ ９ Ｏ ２ １ Ｒ Ｐ − ２ ２ × １ ０ ‘ ０ １ ８ ０ １ ９ ０ ， ３ ３ ．２７８ 速度，Ｄ：円柱直径，ソ：主流の動粘'性係数）ではほ ぼ同じ値とした。そのパワースペクトルを示した図ｌ のように主流乱れは１０Ｈｚの低周波成分が主であった。 とくに16ｍｍと20ｍｍ円柱では乱れ強さ以外に乱れの 他の成分およびスペクトルの形状もほぼ一致し，同じ 主流条件下で測定は行なわれたと考えられる。なお， ８ｍｍ円柱については後で説明する。 ０．０１ ０．０２ Ｏ、 （a）Ｄ＝20ｍｍ （b）Ｄ＝１６ｍｍ （c）Ｄ＝8ｍｍ
図ｌ主流乱れのパワースペクトル（Re＝１．０×１０４）
円柱より良くなる傾向を示した。また低レイノズル数 ３．実験結果および考察 では20ｍｍと16ｍｍ円柱の熱伝達の差は16ｍｍと８ｍｍ 後方岐点におけるヌセルト数（Nu＝hD/入，ｈ：熱伝円柱の差より大きい。このような熱伝達の違いについ達率，入：熱伝導率）のレイノルズ数への依存性を示て，（A)20ｍｍ円柱と16ｍｍ円柱の熱伝達の相違，（B）
した図２より，直径の違いにより熱伝達は異なり２０ｍｍ円柱と８ｍｍ円柱の熱伝達の相違に分けて次に 20ｍｍ円柱の結果は16ｍｍ円柱より熱伝達は良く，傾考察する。 きは平行でありＮｕとＲｅの関係においてレイノルズ 数の指数は同じである。けれども８ｍｍ円柱ではその （A）２０ｍｍ円柱と16ｍｍ円柱の熱伝達の相違指数は16mm，２０ｍｍ円柱より大きく，Ｒｅ＝1.7×1０４円柱表面温度を図３に示す。横軸βは前方岐点から
以上になるとさらに指数は大きくなり熱伝達は20ｍｍ の角度，縦軸は各角度における表面温度と主流温度の 差を前方岐点の温度と主流温度の差で除した無次元温 度ＴＲを示す。２０ｍｍ円柱の場合すべてのレイノルズ 数においてはく離点（β＝90）より後方岐点に向けて 温度は降下し，後述するようにせん断層の拡散効果が 現 わ れ 図 ４ か ら も わ か る よ う に 熱 伝 達 は 上 昇 し て い る。一方16ｍｍ円柱でＲｅ＝0.7×104ではβ＝120。に 二次渦3)の影響を示す凹部が生じ，レイノルズ数が高 くなるとこの二次渦の影響は消滅してゆく。このよう な結果について次に流れ場より検討する。図
5
に
示
し
た
圧
力
分
布
(
C
腰
=
(
P
-
P
｡
.
)
/
÷
小
２
，
Ｐ：円柱表面静圧，Ｐ｡｡：主流静圧，ｐ：主流の密度）
より熱伝達のよい20ｍｍ円柱の背圧は１６ｍｍ円柱より 低くなっている。また，せん断層の拡散の影響を示す 後方岐点への圧力降下l)･2)は両円柱ともＲｅ＝1.0×１０４ 以上で生じている。Ｒｅ＝7.0×104では20ｍｍ円柱では ︵単︶⑳ ︵贈︶の 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ９ 号 （ 1 9 8 7 ） ｏ ｆ ０ ． ６ ｋ Ｈ ｚ Ｏ ｆ Ｏ 、 ６ k Ｈ ｚ 【）−ｔ ’ ２ 一一−
￨
コヱ ９６５４
−−アノノ匁匁
画 ３５６７８９１０t＋Ｒｅ
２ ３ ４ 図２ＮｕとＲｅの関係（β＝180｡） ０８ Ｏ ｆ Ｏ 、 ６ k Ｈ ｚ Ｌ 一 Ｕ〕 − ０ ， ＝ ２ ０ ｍ ｍ Ｐ０．０３２０２ Ｆ １ ０ Ｉ し Ｐ０．００５８８ Ｆ ｌ Ｏ ’ Ｐ０．００１４３ Ｆ ６ ０ Ｉ Ｉ Ｐ ０ ． ０ ０ １ ３ ３，
ﾉ
I
/
Ｗ
，
｡
」
ＰＦ
０． １０ ００７９７’
０ ．０ ０５８７９ ０ １ ２ ０ １ ５ ０ １ ８ ０ ８（。） (b） ９ ０ ３ ０ ６ ０ 布施・小山・下吉・加治屋：円柱背面における熱伝達機構
1
Ｊ
…
i
鍔
３．０ １．５ １５０ 塵﹄ コヱ ２．５ １００ Ｚ、０峰
j
i
i
i
皇
謹
！
５０ ＯＲｅ＝０．７ｘｌＯｌ０ △＝１．０ｘｌＯｌ０ ｐ＝１．３×１０４０ ◇Ｒｅ＝１．５ｘｌＯｌ‘ ▽＝１．８ｘｌＯｌ０ ①＝２．２ｘｌＯｌ‘ １．５ ０ ３ ０ ６ ０ ９ ０ １ ２ ０ １ ５ ０ １ ８ ０ ８（。） (a） １．０ ０ ０（.） (a） １５０ 図 ３ 円 柱 表 面 温 度 分 布1
舞
蕊
３．０ ０ ３ ０ ６ ０ ９ ０ １ ２ ０ １ ５ ０ １ ８ ０ ８（。） （c） 図 ４ 局 所 熱 伝 達 率 分 布 コヱ 塵﹄ １００ ２．５ ５０ ２．０ ｎ Ｎ蒙
篭
謹
熱
:
」
Ａ ＝ １ ． ０ rl L」 ３．０鋤漁
L
j
i
r
i
曽
謹
！
１．０ r 』1
a
6
8
s
雌
遮
１．０ ０ ３ ０ ６ ０ ９ ０ １ ２ ０ １ ５ ０ 】 ８ ０ ８（･） （b） １５０ ２００｡
P
①
①
の
q
①
①
q
｛
の
①
①
ｌ 《T〕 コヱ Ｚ、５ 、 ＝ ８ ｍ ｍ ＯＲＣ霊０．７ｘｌＯｔ０ △＝１．０ｘｌＯｌ０ 犀﹄需
霧
窪
２．０ １００ １．５ ５０ フ Ｈ Ｐ ｑｂｂ４ｑ山００００００１１１１１ｌ
ｘ×××××７０３５８２
、。。。。。。
、、︾１▲１△１△１８−フＧ ｎＵ一一狸■■幸室 勺４Ｐ﹄ ＝ Ｒ０○△ロ◇▽の
ｑ４４４ｕ“００００００
１１１１１ｌ
ｘ×××××７０３５８２
、。。。。。。
、ｎ︺、︲△１△１１−２ 〃︹﹀ご■写毒毒零 １△ｅ 一一 ＲＤＣ△ロ◇▽の
灘繍i鰯繍
1０ １．５ β＝160.付近より圧力は下がり始め拡散の影響の生じ 始めているが，１６ｍｍ円柱では背圧は一定でありその 影響はあまり認められない。 図６はＲｅ＝1.0×104での後流の速度分布を示す。 Ｘは円柱中心より主流方向の距離，Ｙは主流と直角方 ・１．０ ０ １．０５， 且 《Ｊ ０．５ ０ ０ １．５ 図６ 1 ２ ０ １ ８ Jcb −０．５ ∼1
I
三
雲
織
奉
鰯
雲
−１．０ １．０ "ざ'▽ ロ 。 −１．５ (a）衣
￨
_
。
｡ ｒ ヨ − ６ 一 ６０筒
１．０ Ｄ ■ １ ６ 掘 悶 ＯＲｅ■０．７ｘｌＯＱｏ △華１．０茸ｌＯＯＯ ｏ■１．３８８１０'０ ◇垂１．５ｘｌＯｌ・ ▽■１．８〆ｌＯｌ０ の年２．２瓦１０８０ ６８ 昼 ＬＪ ０．５ ０．５ ○ ＝ − ＆ Ｄ Ｃ ワロロ▽｜①f』 ０ 、Ｉ』i
４
ｌ
ｌＺＯ ｌ０（･）’１０｡蝋
・０．５ １．０ ０．５ (a） １．０ Y／、 一 ︽叩亘︾︵”︼一 一 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ９ 号 （ 1 9 8 7 ） ’２８ ０．５ Ｙ／、 （b） 後流の速度分布 ０轄
織
！
−１．５ コヘコ (b） １． （c） 図 ５ 円 柱 ま わ り の 圧 力 分 布 ５ ’０８ 釦１１ 町山凹凸ｈｂ ｎ︾０００，︾０ １。’１１。’ｑｊ ｘｘ×××× ？〃ｎ︾●﹄声か︽５︽９ ｍ。。。。ＣＯ 顕︽ＵＧ１。﹄●﹄Ｕ４︽ど ︽５こぉ毒■毒ｍ ｅ 毒︵Ｋ Ｏｏ△０。▽の １．０ ● ユＵ︽Ｕ ８ ５ ︻︼ Ｑ日ＯＢ① 鞍lｗｎ が』 -０． ,吟 6０ 1 ２ ０ １ ８ １ ｅ （ ･ ） ’ ０ ９ ⑪ 《 】 ０．５ ワｑＪ ６ ８’９ ５ -１．1
渥
鐸
懸
幸
繍
零
｡
｡
:
曙
i
；
−１． ０ 6Ｐ ０ 一 一 一 一 邸 ▲ 日 ８ ▲ 、凶○ 囚○ ︹困○ ６◇倉 ｑｈｈｈ凸山 ００００００１１１１１ｌ ｘ瓦買××嵐 ⑧ ｚ ０ ｍ ｍ Ｒｅ毒０．７ ■１．０ ■１．３ ■１．５ 年１．８ ■２．２ ＤＯ△ロ◇▽①０．５ １１
ＳＯ
ロヘン ー ５ 布施・小山・下吉・加治屋：円柱背面における熱伝達機構 』 − ｍ ８コへ。緯﹂韓
Ｑ − −、
０ ０．５ ∼ ０ ０．５ １．０ (a） １．５ ２．０ X／、 ０ ５▲◇▽の
▲◇▽①
▲◇▽の
▲◇▽①
﹂▲ＩＦ。﹂▽①［５０
口へ﹄。 ●１１
。 。 ( ; ） ｗ , 肌 。
図 ６ 後 流 の 速 度 分 布 向の距離を示す。せん断層の速度勾配は20ｍｍ円柱の 方が16ｍｍ円柱よりゆるやかになるのが早く，２０ｍｍ 円柱の方が拡散の大きいことがわかる。 このような速度分布より図７に示すようなせん断層 の形状を求めた。Ｒｅ＝1.0×104で比較すると20ｍｍ円 、 ＝ １ ６ ｍ ｍ 叫叫山叫 ００００ １１１ｌ ｘ××× ７０８２ ●●●● ０１１２ 宝一一一一二 ｅ Ｒ ｏ△ロ◇５０
０８コへ．
● ０．５ （ ｃ ０=
=
三
二
二
Ｙ／、 ０ ０ ． ５ １ ． ０ １ ． ５ ２ ． ０ Ｘ／Ｄ （c） 図 ７ は く 離 せ ん 断 層 の 形 状 柱は１６ｍｍ円柱よりせん断層は厚く拡散の大きいこと がわかる。８ｍｍ円柱の場合レイノルズ数の増加とと もにかなり薄かったせん断層がしだいに厚くなってい る。このようなせん断層の特性をさらに調べるために せん断層の中心付近で流れ方向の各位置に熱線ブロー ０２４６８０２●●●●●●● ０００００１１ 宮画室垂返霊■ ，ＤＯ００００ノノノノノノノ ＸＸＸＸＸＸＸ Ｏ△口①▽◇▲ Ｏ ロヘン。 ’ 隼妻
霊
館
０５
０．５ １．０ １．５ b ） ２．０ X／、 Ｒｅ率２．２ｘｌＯ‘４瞳
椴◇＃￨･▽
◇ ①5
3
’
j
，
￨
：
Ｘ８
０．５ ▲▲ 、 毒 ８ ｍ ｍ ０．５▽
▽
減
￨
・
Ｉ
の
①
の
①
Ⅲ
、
｡
､
①
ロ ⑭▽の
▽① ’一▽︲か ▲ ▲ ▲壁垂圭毒三二；
｡ 、 ＝ ２ ０ ｍ ｍ Ｏ Ｒ ｅ ＝ ０ ． ７ ｘ ｌ Ｏ △ ＝ １ ． ０ ｘ ｌ Ｏ ｐ ＝ １ ． ８ ｘ ｌ Ｏ ＝２．２ｘｌＯ いい９９２．０ 1２ ︵串︶の ＝0.4）を示した図８からわかるように渦放出周波数 と低周波でエネルギはピークをとる。前者はせん断層 ブをおきその出力，すなわち速度変動のパワースペク トルＳ(f)を求めた。そのｌ例（Re＝1.0×１０４，Ｘ/， ｡、 １．０ １．５ １．５ ロ画 １．５ １．０
Ｉ
︵﹄︶ぬ ︵﹄︶の ０ ｆ ０ ． ６ ｋ Ｈ ｚ Ｏ ｆ Ｏ ｆ Ｏ 、 ６ ｋ Ｈ ｚ０．６ｋＨｚ （ a ） （ b ） （ c ） 図 ８ せ ん 断 層 の 速 度 変 動 の パ ワ ー ス ペ ク ト ル の渦のエネルギを示している。この２つのピークのエ で20ｍｍ円柱の場合，渦のエネルギはＸ/Ｄ＝0.4で最 ネルギの値ＰのＸ方向への変化をＲｅ＝1.0×１０４とＲｅ 大となるが，この付近で図10に示したように遷移波が ＝2.2×104の場合について図９に示す。Ｒｅ＝１．０×１０４ 現われ乱流への遷移が始まる。乱流への遷移が始まる ● １．５ ､５ １ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ９ 号 （ 1 9 8 7 ） 図 １ ０ せ ん 断 層 の 速 度 変 動 波 形 ０．５ ０．５ ００．２０．４０．６０．８Ｘ／、１．０ （a） １．５ ０．５ ０ ０ ． ２ ０ ． ４ ０ ． ６ ０ ． ８ １ ． ０ Ｘ／、 （c） Ｑ １．０ 6Ｖ １００，ｓ ０ ０ ． ２ ０ ． ４ ０ ． ６ ０ ． ８ １ ． ０ （ b ） ｘ / 、 図 ９ パ ワ ー ス ペ ク ト ル の ピ ー ク の 変 化 −６Ｖ Ｄ＝２０ｍｍ 八へ
〆 、 八へ
へ
/
､
へ
１
八
L
_
ノ
、_ノ 、一ノ 、_ノ Ｌノ しし
／し
庭
０戸＝ 一一ゴ 一 一 一 一 一’
１ ０− ‐ ー 一 〃ａｌｌ一．Ｚ一蝋
ト∼ ー −０ Ｉ D＝１６ｍｍ Ｕ ｌ Ｐ１．】２４ Ｆｌ３０ １ １、
ｰ
し ＰＦＩ
’
１．３５８ ８０ Ｉ D＝２０mｍ’
ヘノ ＝ Ｄ＝８ｍｍ ■ Ｐ０．５１２５ Ｆ ４ ９ ０'
１
１０４ノ
し ４ 、 、６１ １１ １１１ １ノ
一 ソ Ｒ ｃ ＝ ２ ． ２ ｘ ｌ Ｏ Ｏ Ｄ ＝ ２ ０ ｍ ｍ △ ＝ ８ ｍ ｍ K Ｏ 』 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 △ ､ ← ■尖℃
学一
一一
一一
一−
１でＩ。︲一一
一一
一一
一一一一
︲沓’○，へ一
、一
、−
１辱側
。’惨
。１３ 速度変動のパワースペクトルを図１１に示す。渦放出周 波数の２倍と低周波でエネルギのピークが生じ，渦放 出周波数の２倍におけるエネルギは８ｍｍ円柱ではレ イノルズ数とともに増加する傾向にあるが，１６ｍｍと 20ｍｍ円柱の場合はこのような傾向はみられない。こ のように背面熱伝達に密接に関係している速度変動の パワースペクトルは８ｍｍ円柱の場合と16mm，２０mｍ とせん断層の渦のエネルギは減少し始め，図９からわ かるように急速に降下する。この降下の大きいほど拡 散の度合は大きく，図より16ｍｍ円柱より20ｍｍ円柱 の方が拡散は大きく，また乱流への還移も早く始まる ことがわかる。一方，低周波のエネルギは16ｍｍと 20ｍｍ円柱とも一定である。 次に後方岐点近傍（X/Ｄ＝0.6,Ｙ/Ｄ＝0）における ０．２ ０．Ｚ ０．２ ０ ｆ ｡ − ｃ︶画 ﹄︶め Ｃ︶、 ０ ０．２ ０ ０．２ ｆ １ｋＨｚ ０ ｆ １．２ｋＩｌＺ ｆ １．２ｋＨｚ ０．２ ︾︶め Ｑ︶め Ｃ︶め 婿︶め Ｃ︶画 布施・小山・下吉・加治屋：円柱背面における熱伝達機構 《の ０ ０ １ｋＨｚ ０ ０．４ ｆ １．２ｋＨｚ ０ ０．２ １．２ｋＨｚ ｆ ｆ ０．２ ｆ ｒ ３ k Ｈ ｚ ︺︶め ｆ １ ． ２ ｋ Ｈ ｚ ｔ 後方岐点近傍でのパワースペクトル ０ ０．４ 3ｋｉＩｚ 1 ｋ Ｈ ｚ ０ ０．２ １．２ｋＨｚ ｆ ０ ︵﹄︶め ｌ ｋ Ｈ ｚ Ｏ 図1１ 四︶め ０
｜ ’
、 ■ ８ ｍ ｍ Ｒｅｐ０、７ｘｌＯ Ｘノ、■０．６ Ｙ／、・０｜ ’
0 ６ Ｐi
l
X
０．０ ２０ 』 し 一 ロ ２４５２｜ ’
ｐ ・ ８ ｍ ｍ Ｒｅ■１．８ｘｌＯＱｏ − − Ｘ／、画０．６ Ｙ／ＤｐＯ｜ ’
Ｐ０．１６１４ Ｆ ２ ５'
L
へ
,
．
一 " 、 公 一 一 一 Ｐ八
０．０５ １７５０ ３７｜ ’
Ｄ ｍ ８ ｍ ｍ Ｒｅ■１．０嵐ｌＯｑ４ X／、■０．６ Y／Ｄｐ０｜’
Ｕ Ｐ０．０４７１１(
-
Ｕ
３
− 〃 、 Ｉ ＰＯ、０１３１７ Ｆ ９ ７ ０ ー−ノ、１− Ｐ０．１ Ｆ ｌ Ｏ ;５２｜ ’
、 ■ ｚ ０ ｍ ｍ Ｒｅｍ１．８貢ｌＯｌ０ − Ｘ／、。０．６ Y／０．０｜ ’
I
,
､
､
ﾊ
ー
｜
〕
￨
I
↑
'
…
｜ ’
、 、 １ ６ ， 画 Ｒｅ＄１．ＯＤｑｌＯｌ０ − − Ｘ／、■０．６ Y／ＤｐＯ｜ ’
Ｐ０．０７０２３ Ｆ ｌ ＯＩ
Ｐ０．０７７１３Ｆ ２ ６ ０ ＬＪＶ、、 ｋ Ｐ０．１３７１ Ｆ ｌ Ｏ ｜ ’ 、 ■ ｌ ６ ｍ ｍ Ｒｅ■１．８頁ｌＯｏｏ Ｘ／、ロ０．６ Y／Ｄ・０｜’
￨
：
０ ０．０８６７ ４００L
､
,
‐
- ク ー ー ー "し
Ｐ０．１６７６ Ｆ ｌ Ｏ ｜ ’ Ｄ ｍ １ ６ ｍ ｍ Ｒｅ■２．２買ｌＯｌ０ 一 Ｘ ／ ０ 口 ０ ． ６ 一 一 Ｙ／、・０｜’
、
,
ﾍ
,
＝
Ｐ Ｏ瓜
０．０６６４ ５１０ Ｐ ０ ． ４ Ｆ ２ ５ ０１３｜’
、 ■ ８ ｍ ｍ Ｒｅ■２．２ｘｌＯ Ｘ／Ｄ口０．６ Ｙ/、町０｜ ’
Q ４1
1
、
僻
:
:
“
Ｐ ０ ． ０ Ｆ ｌ Ｏ 1８２２ ｜ ’ 、 ■ ｚ ０ ｍ ｍ Ｒｅ■１．ＯｘｌＯＱｏ Ｘ／、。０．６ Ｙ／ＤｐＯ｜’
Ｐ０．１ Ｆ １ ６ ０ 1００Ⅵ
Ｌヅ､ソ､、ﾉー｜ ’
、 ■ ２ ０ ｍ 凧 Ｒｅ■２．２ｘ１０００ − Ｘ／、。０．６ X／、■０｜ ’
Ｐ ０ ． ０ Ｆ ｌ Ｏ Ｌ−− 9５３４ Ｉ-
-
ノ
Ｌ Ｐ０．０１ Ｆ ３ ３ ０ ９１８ Ｐ０．０５８４８ Ｆ ｌ Ｏ １ １ Ｄ ■ ２ ０ ｍ ｍ Ｒｅ■Ｏｏ７ｘｌＯｌ． 一 一 一 Ｘ ／ 、 ■ ０ ． ６ 一 Y／０■０｜’
￨
：
● ０．０８５ １１０し
し一 一 一｜ ’
Ｄ ・ ｌ ６ ｍ ｍ Ｒｅ■０．７ｘｌＯｂ 一 − ）(／０口０．６ Ｙ／ＤｐＯ｜’
Ｐ ０ ． Ｆ １ ０ ０３１０４ Ｉ ＩＬ
八
;
拙
¥
”
1４ 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 ２ ９ 号 （ 1 9 8 7 ） 円柱の場合とでは明白に異なっている。 以上のように20ｍｍ円柱と16ｍｍ円柱の熱伝達機構 はどちらもせん断層の拡散効果のよるものであるが， 両円柱の背面熱伝達の違いはその拡散の大きさの違い によることがわかる。 （B)２０ｍｍ円柱と８ｍｍ円柱の熱伝達の相違 ８ｍｍ円柱と20ｍｍ円柱は異なる風洞で実験したた め主流条件が異なる可能性があるのでこの点をまず検 討する。既報2)の１０ｍｍ円柱ではＲｅ＝1.0×104で乱れ 強さが0.3％から0.44％まで変化して遷移現象が生じ たが今回は乱れ強さをＲｅ＝1.0×１０４で0.24％の最低 値におさえ，また20mm，８ｍｍ円柱とも主流が１０Ｈｚ の低周波を主成分としているため，及び前に予備実験 として行なった８ｍｍ円柱（小風洞）と１０ｍｍ円柱（大 風洞）で乱れ強さが等しい0.33％での背面熱伝達に及 ぼす流れの要素は同じになったので問題はないと思わ れるが詳しい点については今後さらに検討を要する。 さて，後方岐点では図２に示したように８ｍｍ円柱 は16mm，２０ｍｍ円柱の場合と異なりレイノルズ数の 指数は大きくＲｅ＝1.7×104以上ではさらに熱伝達は 良くなっている。 図３より背面の温度分布は20ｍｍ円柱の場合レイノ ルズ数の全範囲でまとまっているが，直径が小さくな るほど分散している。そして８ｍｍ円柱の場合16ｍｍ 円柱と同じように二次渦の影響を示す凹部があらわれ 既報2)のように背面熱伝達は悪くなっている。 圧力分布を比較すると図５より20ｍｍ円柱でははく 離点より後方岐点に向けて下がるが８ｍｍ円柱では Re＝2.2×１０４をのぞいて背面の圧力は一定となって いる。８ｍｍ円柱のＲｅ＝2.2×104ではせん断層の拡 散の影響を示す後方岐点に向けての圧力降下がみられ る。１６ｍｍと20ｍｍ円柱では背圧が低い程熱伝達は良 かったけれども，Ｒｅ＝２．２×１０４では８ｍｍ円柱が 20ｍｍ円柱よりヌセルト数は大きく，このようなヌセ ルト数と圧力分布の関係はみられず直径の大きい場合 の熱伝達機構とは異なっているものと考えられる。 図 ６ の 後 流 速 度 分 布 に お い て 低 レ イ ノ ル ズ 数 で ８ ｍｍ円柱はせん断層の速度勾配は急であり，図７から わかるようにせん断層は薄くのびておりカルマン渦の 発生位置も遠ざかり背圧も20ｍｍ円柱ほど下がってい ない。けれども図６(a)からわかるようにＲｅ＝2.2× １０４になると８ｍｍ円柱の速度勾配はかなりゆるやか となり，せん断層は厚くなりしたがって拡散が生じ， 背圧も後方岐点に向けて下がり20ｍｍ円柱と似た傾向 を示す。 せん断層の特性の違いをさらにエネルギ変化により 検討する。図９より20ｍｍ円柱の場合せん断層の渦の エネルギはある位置で極大値をとり，低周波のエネル ギはｘ方向に一定でかなり低い値を示す。これに対し て８ｍｍ円柱では低レイノルズ数においてはせん断層 の渦のエネルギはピークが生じないで，低周波のエネ ルギともｘ方向に増加するが低周波のエネルギもかな り大きい。８ｍｍ円柱では高速（高レイノルズ数）に なるとせん断層の渦のエネルギは極大値をとり，その 後急速に減少するため前述のように拡散が生じそのエ ネルギは20ｍｍ円柱よりかなり大きく，低周波のエネ ルギは低レイノルズ数と異なりＸ方向に減少し20ｍｍ 円柱とは特性が異なっている。８ｍｍ円柱の場合低レ イノルズ数ほど主流乱れの低周波成分の影響を強くう け，せん断層の発達（流れが乱流へ遷移し拡散の始ま ること）を妨げていると考えられる。 さらに８ｍｍ円柱で高速（Re＝2.2×１０４）の影響を せん断層の乱流への遷移について検討する。図12から わかるように渦放出波形に遷移波の現われる位置，す なわち遷移開始点は20ｍｍ円柱ではＸ/Ｄ＝0.25,8 ｍｍ円柱ではＸ/Ｄ＝0.4である。これまでの研究によ ると遷移点が早いほど背面熱伝達は良くなる傾向に あったがこの場合は成立しない。けれども遷移完了点 （渦放出波形のすべてに遷移波が現われた位置)， X/Ｄ＝0.6で渦のエネルギは８ｍｍ円柱が20ｍｍ円柱よ り1.5倍ほど大きくせん断層の拡散効果は増大し，図 11の後方岐点近傍の流れのエネルギも高められている ６Ｖ −６Ｖ ６Ｖ −６Ｖ Ａ ｒ ハ ▲ D＝８mｍ ▲ １
八
へ 〆八
Ｉ
し
/
し
、_／､／ 、／Ｖ
Ⅶ
Ｉ 塁』 、 ' ｰ ０ １ ０ ， ｓ Ｄ＝２０mｍ ヘ、 ヘハ １ Ｍ１A
／
Ｉハ
「
ハ「
八
「 ハハ
ＶIＵＵ
ＵＵ
ＵＶ ＵＵ
ＪＵ ＪＵ ノＵ１ ｌＯＯｍｓ （a）Ｘ/Ｄ＝0.25 図１２せん断層の速度変動波形（Re＝2.2×１０４）１５ 数の上下限に対応して0.35∼０．１８％の範囲で熱伝達を 測定し流れ場との関係より次のことがわかった。 （１）低周波乱れ強さおよびその他の主流条件を統一 し直径差だけの影響を調べた結果，熱伝達機構に次の ような２つのパターンが明確に生じる。 （a）小直径（Ｄ＝8mm）でレイノルズ数の低い場 合 は 主 流 の 低 周 波 成 分 に よ り せ ん 断 層 の 発 達 が 妨 げ られ拡散効果は弱められるが円柱背面流れのエネル ギとともに熱伝達は増加する。 （b）大直径の場合は拡散効果によりせん断層は発 達し死水域へ巻き込むと共に背圧を下げ，その発達 したせん断層領域により背面の熱を奪い，熱伝達は 良くなる。 （２）背面熱伝達を支配する条件，すなわちせん断層 の拡散効果と円柱背面流れのうち今回の実験により拡 散の影響が大きいことがわかる。 （３）拡散影響は円柱直径の大きいほど著しい効果が あらわれる。 （４）小直径（Ｄ＝8mm）の高速域（Re×1.8×104, 2.2×104；３７m/s∼44m/s）において熱伝達は急増す るがこれはせん断層の渦のエネルギが著しく高くなり せん断層の拡散効果と背面近くの流れのエネルギが高 まるためであり，さらにこの場合高周波のエネルギの 急増も大きく影響したものと考えられる。 ６ ６６ − Ｓ −６ ０ ｌＯＯｍｓ （b）Ｘ/Ｄ＝0.40 図１２せん断層の速度変動波形（Re＝2.2×104） 6Ｖ 布施・小山・下吉・加治屋：円柱背面における熱伝達機構 −６Ｖ ６Ｖ０ ｌＯｍｓ lＯＯｍｓ Ｖ ｌＯｍ 文 献 1）布施・ほか２名，機論，50-453,Ｂ(昭和59)， 1302. 2）布施・ほか３名，機論，51-470,Ｂ（昭60)， 3392. 3）Son,Ｊ､SandHanratty,Ｔ､Ｊ､,Ｊ・FluidMech.,３５ （1969),３５３． 最後に，本研究を昭和61年度の卒業論文として行 なった湯之口龍，窪和久，田畑直樹の諸君に感謝の意 を表します。 −６Ｖ ０ （c）Ｘ/Ｄ＝0.60
