報告書番号

N11014

タイトル（和文）

局所加熱面上部における熱輸送現象の数値解析―ラージ・エディ・シミュレーションによる乱流構造の洞察―

タイトル（英文）

Numerical analysis of heat-transfer phenomena above a locally-heated surface-Insight into turbulent structures with large-eddy simulation-

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

熱流動場の空間発達を形成する局所加熱面上部における乱流熱輸送過程をラージエディシミュレーションによる数値実験により調べた．実験結果との比較から，本数値実験が火源近傍の構造乱流構造と適切に再現する能力を有していることを確認した後，水平加熱円板上の時空間構造を調べた．加熱面の直径は300mmであり，その表面は周囲空気に対して100もしくは200K高く設定されており，乱流遷移条件を満足している．局所熱伝達率の空間分布は境界層の発達過程に起因する非一様性を呈すること，水平平板上の結果と呼応することを明らかにした．また，速度・温度場の瞬時構造の可視化結果は，境界層の発達過程が複雑な空間構造を引き起こしていることを示唆した．境界層の発達とともに筋状の縦渦構造からセル構造への遷移が発生すること，この遷移は，鉛直波状運動を伴っていること，縦渦構造は定在性を持つが，セル構造はランダム性を持つことを明らかにした．このセル構造のランダム性が，既往の熱伝達率の評価式に含まれるばらつきを生みえていることを指摘した．さらに，統計値について，乱流遷移点にはレイリー数への依存性を有するのにもかかわらず，乱流統計量の分布には相似性が維持されることを明らかにした．

概要 （英文）

We examine turbulent heat-transfer mechanism in the vicinity of a locally-heated surface, which causes spatially developing process of thermal- and fluid-fields, by using well resolved large-eddy simulations. In this study, we consider an isothermally heated circular disk of 300 mm in diameter, where temperature is set 100 or 200 K higher than that of ambient fluid, to yield the transition to fully turbulent flow. After confirming the performance of the large-eddy simulations for representing turbulence phenomena through the comparison with experimental data of turbulence statistics, we investigate temporal- and spatial-structures of thermal- and fluid-fields above a heat source. The spatial distribution of local heat-transfer rate, which displays the heterogeneity due to the flow-field development processes, generally agrees with that for flat plate geometry. The snapshots of instantaneous velocity and temperature indicate that the developing process along the surface causes in complex structures which mainly comprise the stationary streaky structures and randomly moving cell structures with vertical wavy motions. This implies that such large-scale structures possibly cause the scattering of estimated heat-transfer rate by empirical formulations. Also, the predicted statistics reveals that there exists similarity of turbulence statistics-profiles whereas the turbulence-transition location depends on the Rayleigh number.

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