教員 圓山重直

圓山重直

e-mail maruyama@ifs.tohoku.ac.jp

URL http://www.ifs.tohoku.ac.jp/~maru/

講義プリントは上記URLに掲載する

熱科学・工学

Thermal Science and Engineering)

第1章 概 論

講義の進め方

圓山重直

使用テキスト

• 各自購入すること

ＪＳＭＥテキストシリーズ演習 伝熱工学

日本機械学会出版（丸善販売）

第1章 概 論 第1章 概 論

圓山重直

Introduction to Heat Transferby F.P. Incropera and D.P. DeWitt

John Wiley and Sons

光エネルギー工学円山重直 著

養賢堂

ＪＳＭＥテキストシリーズ伝熱工学

参考書

第1章 概 論

参考書 （本講義の後半用）

熱力学 圓山重直

圓山翠陵 著「小説 FUKUSHIMA」養賢堂より出版

目次

第一部 1号機爆発（東日本大震災の日／地震発生／津波発生／全交流電源喪失／1号機破壊／1号機爆発）

第二部 破壊の連鎖（2011年3月11日のプロローグ／真夜中にやってきた男／海水注入／3号機爆発／2号機破壊）

第三部 それから（2011年3月16日からの出来事／冷温停止状態宣言／2014年10月11日仙台にて）

あとがき／各号機の時系列事象／用語説明／参考文献

第1章 概 論

伝熱工学の質問２

圓山重直

図2.30 2つの半無限物体が接した場合の過渡温度分布

・100℃のお湯に手を入れると大やけどを負うが，100℃のサ

ウナに入ってもやけどをしないのはなぜだろうか

第1章 概 論

伝熱工学の質問２

圓山重直

(W/(m K))k (J/(kg K))c 3 (kg/m)

105036000.45ひとの皮膚

96042100.676水

0.95510100.031空気

第1章 概 論

伝熱工学の質問２

圓山重直

ヒトが断熱材にふれたときの接触面温度

第1章 概 論

伝熱工学の質問３

圓山重直

・10℃の牛乳100リットルを低温殺菌するために70℃以上に加熱したい．90℃100リットルのお湯を使ってこの加熱が可能だろうか

第1章 概 論

伝熱工学の質問３

圓山重直

第1章 概 論

熱伝導

圓山重直

第1章 概 論

対流熱伝達

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

ふく射伝熱

第1章 概 論

圓山重直

伝導伝熱 (conductive heat transfer)

第1章 概 論

種々の物質の熱伝導率

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

Q

1T 2TR

LkA

T

( )T x1T

2T

q

0 Lx

k

hT cT1hh A

1ch A

hR cR

hT

cT

,h hT h高 温 流 体

,c cT h低 温 流 体

対流熱伝達がある場合の熱伝導

17

風船に水を入れて炎で加熱したとき風船は割れるだろうか？

ただし、炎の温度を 、水の温度を とし

炎側と水側の熱伝達率をそれぞれ

ゴムの熱伝導率と厚さをそれぞれ

とする。

2 25 W/(m K), 500 W/(m K)h ch h

10cT ℃

0.13 W/(m K), 0.1 mmk L

700hT ℃

第1章 概 論

圓山重直18

Q

1T 2TR

LkA

T

( )T x1T

2T

q

0 Lx

k

hT cT1hh A

1ch A

hR cR

hT

cT

,h hT h高温流体

,c cT h低温流体

対流熱伝達がある場合の熱伝導

水を入れたゴム風船のゴム表面温度

熱通過率 が次式で計算される2(W/(m K))K

平板を通過する熱流束は，

炎と壁面の熱伝達率から

風船のゴム外壁温度は

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

非定常熱伝導とフーリエ数

圓山重直

2

tFo

フーリエ数　：　

第1章 概 論

非定常熱伝導とビオ数

圓山重直

第1章 概 論 非定常熱伝とビオ数

圓山重直

図2.32 第1種境界条件における平板の過渡温度分布

第1章 概 論

圓山重直

0 1 2 30.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

=(T

-T)/(

T i-T

)

FoBi=hAt/(cV )集中熱量系の過渡温度変化

第1章 概 論

圓山重直

加熱鉄板を空冷したときの過渡温度変化

第1章 概 論

圓山重直

各種形状物体の中心部の

過渡温度変化

第1章 概 論

圓山重直

地中に埋設した水道管

0 10T ℃

5iT ℃

第1章 概 論

圓山重直

表面温度一定と熱流束一定の場合の

過渡熱伝導温度分布

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

自然対流

圓山重直

白熱電球の周りの自然対流伝熱と温度境界層

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

R2

Rx /x

( )eu x

u

前方よどみ点

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直球と円筒が流体中に置かれた場合の抵抗係数のレイノルズ数に対する変化

372014/4/2

Quasi common path

三次元光路

凹面鏡

収差補正レンズ

可視化領域の拡大 擾乱の影響の低減38

: 22.0℃: 12.0℃: 102500 Pa: 1m/s – 15m/s: 3.2×103—4.8×104

Wall temp.Ambient temp.PressureVelocityRe

実験条件

Without tripping‐wire With tripping‐wire

三次元物体周りの流れ可視化

第1章 概 論

圓山重直

種々の無次元数

第1章 概 論

圓山重直

6 cm

2 0 m /s

5 0 cm

13eT ℃

1m

50cm

30m/seu 75wT ℃

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

910xRa =

x

w eT T>

垂直平板の自然対流熱伝達

乱流

層流

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

沸騰(boiling)

圓山重直

第1章 概 論

沸騰(boiling)

圓山重直

sat

AB

D

E

F

G

H

I

C

膜沸騰遷移沸騰

自然対流

核沸騰 限界熱流束点

極小熱流束点

10

10

10

10

10 1010 2 3

3

4

5

6

(K)

(W/m )2

(b) 核沸騰(低熱流束)

(c) 核沸騰(高熱流束) (d) 限界熱流束点付近

(e) 遷移沸騰

(f) 膜沸騰

(a) 沸騰開始点付近

沸騰特性曲線と沸騰の様相写真は水平上向き銅伝熱面(20mm×20mm)における水

の沸騰

NukiyamaPoint

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

ヒートパイプ

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

sat

subsat

l

w伝熱面

第1章 概 論

熱伝達率の

おおよその大きさ

圓山重直

第1章 概 論

代表的物質の常温におけ

る放射率の概略値

圓山重直

第1章 概 論

圓山重直

2つの無限灰色平面におけるふく射伝熱

第1章 概 論

圓山重直

第1章 概 論

地球温暖化とふく射伝熱

圓山重直

地球と惑星の平均温度

惑星

金星地球火星

太陽からのふく射 [kW/m2]

太陽光に対する吸収率

エネルギーがバランスする温度 K（℃）

実際の平均温度K（℃）

円山重直，光エネルギー工学､2004，養賢堂

57

地表温度の降下

FiInteractions between nanoparticlesand electromagnetic waves

短波長の太陽光

地球からの赤外線

散乱

透過

大気中に浮遊するサブミクロン粒子

粒径と同程度の短波長光

長波長の赤外線

（粒径： ）0.1 m 1.0 mpd

微細粒子のふく射特性

• Mie 散乱

• Rayleigh 散乱

• 散乱効率が大きい

• 散乱効率が小さい

地球のエネルギーバランス58

地球のエネルギーバランス

粒子散布による太陽光制御

Sunlight scattered by particle in the atmosphere.

59

微粒子による光の散乱

微粒子による可視光と長波長赤外線の散乱

赤外線カメラ画像 可視光カメラ画像

60

Schematics of the launching of nanoparticles into the stratosphere.

地球温度制御の提案

粒子：アルミナ

散布高度：30 km

打上げ位置：4000 m

加速方法：リニアモータ

飛翔体質量：10 tons

成層圏内への粒子散布により太陽光照射量を制御

大気中の微細粒子のふく射特性に着目

本研究での温暖化制御

地表面温度の降下

第1章 概 論

第１章おわり

圓山重直