[論文レビュー] Transition to turbulence in strongly heated vertical natural convection boundary layers

Thierry de Larochelambert|ArXiv.org|Dec 22, 2008

Wind and Air Flow Studies参考文献 12被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、2000〜8000 W/m²の加熱率の範囲で、熱風速計を用いて強力に加熱された垂直自然対流境界層における乱流への遷移を実験的に調査した。内層の微小時間スケールと熱伝達に支配される一貫した乱流構造が特定され、静止空気中での放射と伝導効果と、乱流ダイナミクスの関係が明らかになった。

ABSTRACT

The mechanisms governing the transition to turbulence in natural convection boundary layers along strongly heated vertical walls remain neither very clear nor well understood, because of the lack of experiments and the difficulties of physical modelling. Our measurements bring experimental data focusing on this transition in quiescent air along radiating and conducting plates in the whole range of 2000 to 8000 W/m\^2 heating rate. The analysis of the time series obtained by sliding window cross-correlation thermoanemometry leads us to point out coherent turbulent structures on short heights throughout the thin boundary layer, which seem to be governed by heat transfer and time-microscales of turbulence through the inner sublayer. Physical interpretations are given to relate to the observed heat transfer correlation and these turbulence transition structures along with radiation and conduction.

研究の動機と目的

• 強力に加熱された垂直自然対流境界層における乱流への遷移を支配する未解明のメカニズムを明確化すること。
• 物理的モデル化と測定の困難さにより、この領域における実験的データの不足を是正すること。
• 熱伝達、放射、伝導が遷移期における乱流構造の形成に果たす役割を分析すること。
• 高度な信号解析を用いて、境界層内における一貫構造の時間的・空間的進化を特徴付けること。

提案手法

• 滑らかに移動する窓を用いた相互相関熱風速計法により、境界層内の速度および温度の揺らぎを測定した。
• 2000〜8000 W/m²の加熱率の範囲で、静止空気中における放射性および伝導性の垂直平板を用いて実験を実施した。
• 時系列データを解析し、一貫した乱流構造およびその時間的進化を同定した。
• 乱流ダイナミクスと熱伝達および微小時間スケールとの関連を明らかにするために、内層に焦点を当てた。
• 観測された乱流構造と放射および伝導効果との関連を物理的解釈により結びつけた。
• 統計的およびスペクトル解析を時系列データに適用し、相関およびコherency特性を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強力に加熱された垂直自然対流境界層における乱流への遷移期に、どのような一貫した乱流構造が出現するか？
• RQ2 内層における熱伝達および微小時間スケールが、これらの乱流構造の形成および進化をどのように支配するか？
• RQ3 放射および伝導が境界層内での遷移ダイナミクスに及ぼす影響の程度はどの程度か？
• RQ4 加熱率が2000から8000 W/m²に増加するに従い、乱流構造の特徴はどのように変化するか？
• RQ5 観測された熱伝達相関と、一貫した乱流構造の出現との関係は何か？

主な発見

• 2000〜8000 W/m²の全加熱率範囲において、薄い境界層の短い高さ域に一貫した乱流構造が観測された。
• これらの構造は、内層における乱流の熱伝達および微小時間スケールに支配されていた。
• 乱流への遷移は、熱的浮力、放射、伝導効果の相乗作用に起因していた。
• 時系列解析により、一貫した乱流構造の出現と整合する熱伝達の一定した相関パターンが明らかになった。
• 実験データにより、遷移期における組織だてられた乱流ダイナミクスの直接的証明が得られ、従来の理論モデルにあった曖昧さが解消された。
• 物理的解釈により、乱流構造がランダムではなく、熱的駆動力および境界層の微小スケールダイナミクスによって体系的に影響を受けることが確認された。