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基礎編2. 対流2.1 自然対流熱伝達(1)垂直平板

このトレーニングで学ぶこと

今回は自然対流熱伝達について取り上げます。
 加熱されて温度が高くなった空気は密度が小さくなり、周辺空気よりも軽くなるため、上の方へ流れていきます。このような流れを自然対流と言います。
 自然対流が生じているとき、固体壁から周辺空気への伝熱を自然対流熱伝達と言います。

目的:熱が平板表面から空気へ自然対流で伝達されているときの
平板や空気の温度変化を体験する。

問題1初級
風が吹いていない空気中において、厚さ5mmで一辺の長さが (a)50mm, (b)100mm, (c)200mm の正方形の銅板が垂直に設置され、それぞれ単位体積あたりの発熱密度どれも同じで一様に発熱しています。
 (a), (b), (c) の銅板のうち最も温度が低くなるのはどれでしょうか?
※平板の周囲端面は断熱の条件を仮定します。

平板表面の単位面積当たりの放熱量は
どれも同じだよ!

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答1
答えは (a)です。

FlowDesignerで検証

(a)の温度が最も低くなっていることが分かります。

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問題2中級
風が吹いていない空気中において、厚さ5mmで一辺の長さが (a)50mm, (b)100mm, (c)200mm の正方形の銅板が垂直に設置され、雰囲気温度20℃となっています。それぞれ単位体積あたり 200,000W/m3で一様に発熱しています。
 (a), (b), (c) の銅板の温度はそれぞれ何度になるでしょうか?
※平板の周囲端面は断熱の条件を仮定します。

対流熱伝達の場合の熱抵抗を計算して,
オームの法則を適用するといいよ!

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答2
平均温度は (a) 79℃, (b) 88℃, (c) 98℃ になります。
平板の温度は理論式より求めることができますが、
FlowDesignerで検証してみましょう。

FlowDesignerで検証

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問題3初級
風が吹いていない空気中において、厚さ 5mm で一辺の長さが 100mm の正方形の銅板が垂直に設置され、一様に発熱しています。
 平板周囲には自然対流が生じており、平板の表面には周辺空気よりも温度や速度が変化する領域が生じます。この領域を温度境界層、速度境界層と言います。
 この平板周囲の温度境界層の形状は (a), (b), (c)の中のどの形でしょうか?
※平板の周囲端面は断熱の条件を仮定します。

この場合、空気は上向きに流れるはずだが?

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答3
温度境界層は (b) の形になります。
対流熱伝達では温度境界層の厚さが薄いほど熱が伝わりやすく、
固体壁の温度は低くなります。
温度の高低を考えるときには、境界層をイメージして
その厚さがどのように変化するかを考える必要があります。

FlowDesignerで検証

普通これらの境界層は目で見ることはできませんが、FlowDesigner を使用することにより、その形状や境界層の厚さの変化を見ることができます。



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