比較的浅い底面加熱を受ける上部開放矩形くぼみに球状粒子を一段充填した場合の共存対流熱伝達 : 第2報, くぼみ長さの効果

Forced-natural-mixed convection heat transfer characteristics of a one-stage spherical particle layer in an air flow are investigated experimentally. The one-stage spherical particle layer is provided in a rectangular cavity having a heating bottom surface and is installed at the lower part of a rectangular air channel. Three types of spherical particles, which have almost the same diameter (about 10 mm) but different thermal conductivities, are tested. The cavity length is varied from 19.6 mm to 90 mm, and the cavity depth is varied between 0 mm and 10 mm. The variation of the heat transfer coefficient with the length of the heating surface can be explained by the flow behavior around the particle layer ; that is, the case of the zero cavity depth, the flow is suppressed by the particles within about three rows from the leading edge. Therefore, the heat transfer coefficient increases with a derease in the length of the heating surface. In the case with a shorter heating surface (about twice the diameter of the particle), a considerable increase in the heat transfer coefficient is achieved because the flow from the upstream runs through the particle layer. In the case of the cavity depth having almost the same value as the diameter of the particles, air flows over the particle layer and air near the cavity bottom is almost still. In this case, a decrease of the length of the heat transfer surface decreases the extent of the flow in the depth direction, and the heat transfer coefficient is also decreased. The heat transfer coefficient can be expressed as a nondimensional heat transfer correlation, where the effects of the cavity length, the cavity depth, the air velocity and the temperature difference between the air and the bottom surface of the cavity are taken into consideration.

基盤上に配された電子素子群の冷却や、フィン群からの熱伝達、または果実等顆粒状農作物の保冷等、複雑な形状を有する物体からの熱伝達に関しては、その厳密な取扱いが非常に困難である。しかしながら、これら複雑な形状物を多孔質体として扱うことにより、比較的容易に伝熱解析できることも知られている。多孔質体層と純流体層よりなる系の対流熱伝達に関しては、従来より多数の研究が行われているがこれらの研究の大部分では、多孔質体を一様な均質体とみなした扱いがなされており、多孔質体表面近傍の流動・伝熱現象に関する詳細な議論はなされていない現状にある。しかしながら、文面に挙げた実例のように、比較的大きな物体より構成される系を多孔質体と見なした場合には、多孔質体表面付近の不均一性が伝熱特性に大きく影響されることが予測される。また、筆者らは、下面加熱を受ける比較的深い球状粒子充填矩形くぼみにおける共存対流熱伝達に関する基礎研究を行い、強制対流の効果は上部数段の粒子層に限定されることを見出しており、多孔質体表面近傍における熱伝達現象の解明が必要となっている。最近の研究では、二次元円柱群を多孔質体に見立て、N-S方程式等の基礎式を数値的に解析し、多孔質体表面近傍の流動・伝熱現象を検討する試みもなされているが、このような数値解析による方法では、安定な収束解が得られるのは非常に小さいレイノルズ数条件に限定される。本研究は、比較的実用的な空気流速範囲（数十cm/s～数m/s）のもとで、不均質な多孔質層として一段配列球状粒子層を取り上げ、その熱伝達特性の解明を行うものである。また、本実験結果は、多孔質層の表面近傍における流動・伝熱特性の理解にも寄与するものと考えられる。前報では、長さL=90mmの底面加熱を受ける矩形くぼみ内に直径d=10mmの球状粒子を一段に配列した場合について実験的検討を行い、伝熱面上に配された球状粒子は、流れの攪拌効果を有する反面、伝熱面近傍の流れを抑制することや、熱伝導率の大きい球状粒子が拡大伝熱面として機能すること、さらに、くぼみ深さを小さくし、球状粒子層を流れの中に直接されした場合には、くぼみ上流端より粒子直径の4倍程度下流までの領域において伝熱特性の向上することが明らかとなった。本報では、前報にて観察された、くぼみ上流端より粒子直径の4倍程度下流までの領域にて、伝熱特性が流動挙動に大きく左右される事実に着目し、くぼみ長さLを、L=19.6mm、43mm、および90mmに設定した場合の共存対流伝達実験を行った。また、流れの可視化実験も行い、熱伝達と流動挙動の相関関係を、種々のくぼみ長さおよびくぼみ深さについて定性的に解明した。さらに、前報の結果も含めた全実験データを対象に、熱伝達特性の無次元整理をも行ったものである。

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