JP2009150669A - 風洞実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】汎用性が高く実験等の効率化が図れる風洞実験装置を提供する。
【解決手段】風路Ｒに流入する気流全体を一様かつ乱れの少ない気流とする整流部１１と、前記一様かつ乱れの少ない気流に、実験に必要な平均速度および乱れの分布を与える乱流制御部１２と、前記乱流制御部にて発生した乱れをより拡散させる乱流拡散部１３と、前記風路を形成する風洞の胴部から気流内に突き出た状態で設置され、先端に設けられた煙吐出口１４ａから煙を吐出する煙源部１４と、を前記風路の風軸方向上流側から下流側に向かって具備する風洞実験装置であって、前記整流部の後流端と、前記乱流制御部の上流端との間の距離は３ｍ〜５ｍであり、さらに、前記乱流拡散部の上流端と前記煙源部の上流端との間の距離は４．５ｍ〜５．７ｍであり、かつ、前記整流部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は１５．７ｍ〜１７．７ｍであることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は風洞実験装置に関し、特に、火力発電所、高速道路、清掃工場などの環境アセスメント、あるいは原子力発電所の安全審査などを評価するのに必要とされるデータを得るために使用される風洞実験装置に関するものである。

図５は従来の風洞実験装置の要部を示す断面図であって、説明をわかりやすくするため風洞実験装置の風路内の配置のみを示す図である。図において、白抜き矢印は図示しない送風機により発生された風の進行方向を示している。

図５に示すように、風洞実験装置１００の風路Ｒ内には、風上側（送風機が配置されている側）から整流部１０１、乱流制御部１０２、および煙源部１０３が順に配置されている。

整流部１０１は風路Ｒの入口側（送風口側）に設けられたものであり、木格子１０１ａおよび整流金網１０１ｂから構成されたものである。これら木格子１０１ａおよび整流金網１０１ｂにより、風路Ｒに流入する気流全体が一様かつ乱れの少ない気流とされる。

乱流制御部１０２は、整流部１０１の下流側に設けられたものであり、スリット１０２ａおよびスパイア１０２ｂから構成されたものである。これらスリット１０２ａおよびスパイア１０２ｂにより、整流部１０１で整流された気流に、実験に必要な平均風速および乱れの分布が与えられる。

煙源部１０３は、風路Ｒを形成する風洞の胴部から気流内に突き出た状態で設置され、先端に設けられた煙吐出口１０３ａから煙を吐出する、たとえばＬ字煙突形をした煙突模型である。なお、この煙源部１０３の下流側には地形や橋梁等を象った模型が配置されている。

また、この風洞実験装置１００では、図５に示すように整流金網１０１ｂとスリット１０２ａとの間の距離、すなわち整流部１０１の後流端と乱流制御部１０２の上流端との間の距離が４．０９ｍ、スリット１０２ａの後流端とスパイア１０２ｂの上流端との間の距離が４．２５ｍ、スパイア１０２ｂの上流端と煙源部１０３の上流端との間の距離が６．３５ｍになるように配置されている。

図６は、上記のように配置された風洞実験装置１００を使用して得られた排煙拡散風洞実験の結果を示すグラフである。図６において、縦軸は水平方向拡散幅、横軸は風下距離を示している。また、図中において直線Ａ〜Ｆは「気象指針」に示された大気安定度である。ここで、「気象指針」とは原子力安全委員会の「発電用原子炉施設の安全解析に関する気象指針」のことである。

大気安定度を示す直線Ａ〜Ｆは野外実測値を示すものであり、パスキル線図とも呼ばれる。直線Ｃと直線Ｄとで囲まれる範囲は、野外で最も出現頻度が多い条件であり、特に排煙拡散風洞実験の標準的な気流条件とされている。

また、上述した原子力安全委員会の「発電用原子炉施設の安全解析に関する気象指針」に規定されている風洞実験について、標準的な実験方法および実験結果の解析方法をまとめた「発電用原子炉施設の安全解析における放出源の有効高さを求めるための風洞実験 実施基準：２００３」には、風洞実験で対象とする範囲は放出源（煙源部）より風下５ｋｍ程度までとする、ということが記載されている。したがって、排煙拡散風洞実験において水平方向拡散幅が風下５ｋｍ程度まで直線Ｃと直線Ｄとで囲まれる範囲内にあることが要求されている。

しかしながら、図６を見て明らかなように、上記のような風洞実験装置１００を使用した場合、風下距離がおおよそ１ｋｍ以上になると水平方向拡散幅が直線Ｄよりも図において下側、すなわち直線Ｅ，Ｆの側に外れていってしまう。

このように水平方向拡散幅が直線Ｄよりも図において下側に外れていくと、実際の自然界における気流条件からずれてしまい、実際とかけ離れた結果が得られてしまうといった問題点があった。

そこで、本出願人は、先に、上述した整流部１０１、乱流制御部１０２、および煙源部１０３を図７に示すように配置した風洞実験装置２００を提案し（特許文献１参照）、これを使用して上記と同様の排煙拡散風洞実験を行った。

この風洞実験装置２００では、前記整流部１０１の後流端と、前記乱流制御部１０２の上流端との間の距離は例えば１．９４ｍであり、かつ前記整流部１０１の後流端と、前記煙源部１０３の上流端との間の距離は例えば１４．５４ｍに設定されている。

図８は、上記のように配置された風洞実験装置２００を使用して得られた排煙拡散風洞実験の結果を示す図６と同様のグラフである。

図８のグラフから、上述した気流制御条件下では、風下５ｋｍ付近までは、気象指針のＣ〜Ｄに入っており、目標値を満足していることが判る。

特許第３９１７９０９号公報

従って、原子力の安全審査用風洞実験は、全て図８に示した気流制御条件で実施すれば良いのだが、地形模型の再現範囲によっては、風洞の構造上実施が難しい場合もあるという問題点があった。

その理由の一つとして、例えば図９に示すような大気環境予測に用いる、大型拡散風洞３００が既存の設備として有った場合について説明する。

♯３風洞と♯４風洞の２基の風洞を有し、これらの測底部（風路Ｒ）は略長さ２５ｍ×幅３ｍ×高さ２ｍとなっており、基本性能は同じであるが、同じ側底部（風路Ｒ）に設けているターンテーブル３０１の大きさが異なる。

ターンテーブル３０１の大きさは、♯３風洞が直径６ｍで、♯４風洞が直径１２ｍであり、通常は円形の地形模型をこれらのターンテーブル３０１上に設置し、実験等の風向替えを簡単に実施できるようにしている。

そこで、図１０に、再び従来の気流制御条件を示すが、風洞の整流部１０１の後流端から煙源部１０３までの距離は１６．６９ｍとなっているが、これは上述した♯４風洞における、整流部１０１の後流端からターンテーブル３０１の中心までの距離と同じになっている。

一方、図１１に示す特許文献１の気流制御条件の場合、風洞の整流部１０１の後流端から煙源部１０３までの距離は１４．５４ｍとなっているが、これは上述した♯３風洞における、整流部１０１の後流端からターンテーブル３０１の中心までの距離と同じになっている。

よって、もし対象となる風洞実験の地形模型が直径６ｍを越える場合は、♯４風洞にて実施する方が、風向替えを簡単にできるために、実験等の効率上好ましい。もちろん、♯３風洞においても、直径６ｍを越える地形模型を設置することは可能であるが、その場合、模型をターンテーブル３０１の範囲を越えて設置するため、風向を替える場合は、ターンテーブル範囲外の部分については、ジグソーパズル式に模型をセットしなおす必要があり、膨大な手間を要する。

従って、直径６ｍを越える地形模型を用いる場合は、♯４風洞で実施した方が効率的であるが、上述した風洞の整流部１０１の後流端からターンテーブル３０１の中心までの距離が、特許文献１の気流制御条件よりも長いため、そのままの制御では、原子力学会の気象指針を満足できないという不具合を生じているのである。

換言すれば、特許文献１の気流制御条件のみの風洞実験装置では、対象となる風洞実験の地形模型等に制約が生じ、汎用性に乏しいのである。

そこで、本発明の目的は、汎用性が高く実験等の効率化が図れる風洞実験装置を提供することにある。

上記の課題を解決するための本発明に係る風洞実験装置は、
風路に流入する気流全体を一様かつ乱れの少ない気流とする整流部と、
前記一様かつ乱れの少ない気流に、実験に必要な平均速度および乱れの分布を与える乱流制御部と、
前記乱流制御部にて発生した乱れをより拡散させる乱流拡散部と、
前記風路を形成する風洞の胴部から気流内に突き出た状態で設置され、先端に設けられた煙吐出口から煙を吐出する煙源部と、
を前記風路の風軸方向上流側から下流側に向かって具備する風洞実験装置であって、
前記整流部の後流端と、前記乱流制御部の上流端との間の距離は３ｍ〜５ｍであり、
さらに、前記乱流拡散部の上流端と前記煙源部の上流端との間の距離は４．５ｍ〜５．７ｍであり、
かつ、前記整流部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は１５．７ｍ〜１７．７ｍであることを特徴とする。

また、前記整流部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は１６．６９ｍであることを特徴とする。

また、前記乱流拡散部は、風洞の幅方向に高さ４０ｍｍ〜５０ｍｍの板状の堰にて構成されていることを特徴とする。

また、前記乱流制御部の上流端と、該乱流制御部の後流端との間の距離は６．４５８ｍであり、前記乱流制御部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は６．３５ｍであることを特徴とする。

本発明に係る風洞実験装置によれば、整流部で整流された気流が乱流制御部により乱れを生起され、この乱れが乱流拡散部でさらに増加され拡散されるため、例えば乱流拡散部が無く整流部の後流端と煙源部の上流端との間の距離が本発明より短い気流制御条件下で所望の水平方向拡散幅が再現できる風洞実験装置（特許文献１参照）と同様に、これと比較して整流部の後流端と煙源部の上流端との間の距離が増大するにもかかわらず、所望の水平方向拡散幅が再現でき、対象となる風洞実験の地形模型等に制約されずに汎用性が高められると共に実験等の効率化が図れる。

以下、本発明に係る風洞実験装置を実施例により図面を用いて詳細に説明する。

図１は本発明の一実施例を示す風洞実験装置の要部を示す断面図であって、説明をわかりやすくするため風洞実験装置の風路内の配置のみを示す図である。図において白抜き矢印は図示しない送風機により発生された風の進行方向を示している。

図１に示すように、風洞実験装置１０の風路Ｒ内には、風上側（送風機が配置されている側）から整流部１１、乱流制御部１２、乱流拡散部１３、および煙源部１４が順に配置されている。

整流部１１は風路Ｒの入口側（送風口側）に設けられたものであり、木格子１１ａおよび整流金網１１ｂから構成されたものである。

木格子１１ａは木製の格子部材であり、図示しない送風機から送られてきた気流に乱れを生じさせるものである。また、整流金網１１ｂは木格子１１ａにより乱された気流を整流する金属製のメッシュ部材である。これら木格子１１ａおよび整流金網１１ｂにより、この整流金網１１ｂを出て風路Ｒに流入する気流全体が一様かつ乱れの少ない気流とされて後述する所定距離だけ移動して乱流制御部１２に到るようになっている。

乱流制御部１２は、整流部１１の下流側に設けられたものであり、スリット１２ａおよびスパイア１２ｂから構成されたものである。

スリット１２ａは、複数枚（例えば１９枚）の薄板部材で構成されたものであり、それぞれの薄板部材は高さ２００ｍｍ、長さ２０００ｍｍ、厚さ２〜３ｍｍを有する平面視長方形の部材である。これら薄板部材は、幅３０００ｍｍの風路Ｒの床面に例えば１５０ｍｍピッチで、その長手方向が風軸方向に沿うように配置されている。

スパイア１２ｂは、例えば１９個の平面視Ｔ字状の部材で構成されたものである。平面視Ｔ字状の部材はそれぞれ、気流に対して上流側に位置する上流側部材１２ｂａと、下流側に位置する下流側部材１２ｂｂとから構成されている。

上流側部材１２ｂａは、高さ５２０ｍｍ、底辺の長さ５０ｍｍ、厚さ８ｍｍを有する薄板部材で、正面から見て二等辺三角形の形態をなすものである。下流側部材１２ｂｂは、高さ４４０ｍｍ、上底の長さ２５ｍｍ、下底の長さ２００ｍｍ、厚さ８ｍｍ、および上流側部材１２ｂａと接する辺と上底・下底とのなす角がそれぞれ直角となる薄板部材で、側方から見て台形の形態をなすものである。これらスパイア１２ｂもまた、前述したスリット１２ａと同様、幅３０００ｍｍの風路Ｒの床面に、隣り合う下流側部材１２ｂｂと下流側部材１２ｂｂとが１５０ｍｍピッチとなるように配置されている。

尚、前記スリット１２ａ及びスパイア１２ｂの具体的な構造は、特許文献１に図面を用いて開示されたものと同様なので、特許文献１を参照して図面を用いての説明は省略する。

これらスリット１２ａおよびスパイア１２ｂにより、整流部１１を通過した一様かつ乱れの少ない気流に、実験に必要な平均速度および乱れの分布が与えられて、後述する所定距離だけ移動して乱流拡散部１３に到るようになっている。本実施例の場合には、気流の風速が減じられるとともに風路Ｒの床面付近を通過する気流に乱流が発生させられるようになっている。

乱流拡散部１３は、乱流制御部１２のスパイア１２ｂ下流に設けられたものであり、高さ４０ｍｍ〜５０ｍｍ（図示例では４０ｍｍ）、長さ３０００ｍｍの板状の堰（図示例では、Ｌ型のアングル部材）にて構成される。そして、風路Ｒの床上に風軸方向と直交して設置される。

この乱流拡散部１３により、乱流制御部１２で生起された気流の乱れがさらに増加され拡散されて後述する所定距離だけ移動して煙源部１４に到るようになっている。

煙源部１４は、風路Ｒを形成する風洞の胴部から気流内に突き出た状態で設置され、先端に設けられた煙吐出口１４ａから煙を吐出する、たとえばＬ字煙突形をした煙突模型である。なお、この煙源部１４の下流側には地形や橋梁等を象った模型が配置されている。

また、この風洞実験装置１０では、図にも示すように整流金網１１ｂとスリット１２ａとの間の距離、すなわち整流部１１の後流端と乱流制御部１２の上流端との間の距離が３〜５ｍ（図示例では４．０９ｍ）、スリット１２ａの後流端とスパイア１２ｂの上流端との間の距離が４．２５ｍ、スパイア１２ｂの上流端と煙源部１４の上流端との間の距離が６．３５ｍになるように配置され、さらに、乱流拡散部１３の上流端と煙源部１４の上流端との間の距離が４．５ｍ〜５．７ｍ（図示例では５．３５ｍ）になるように配置されている。そして、前記整流部１１の後流端と前記煙源部１４の上流端との間の距離は１５．７ｍ〜１７．７ｍ（図示例では１６．６９ｍ）に設定されている。

図２は、上記のように配置された風洞実験装置１０を使用して得られた排煙拡散風洞実験の結果を示すグラフである。図２において縦軸は水平方向拡散幅、横軸は風下距離を示している。

図２を見てわかるように、上記のような風洞実験装置１０を使用した場合、高さ４０ｍｍのＬ型のアングル部材（乱流拡散部１３）を用いた場合と高さ５０ｍｍのＬ型のアングル部材（乱流拡散部１３）を用いた場合の両方において、風下距離がおおよそ８ｋｍ以上になって初めて水平方向拡散幅が直線Ｄよりも図において下側、すなわち直線Ｅの側に外れていってしまうという結果になっている。

これは前述した「発電用原子炉施設の安全解析のための風洞実験 実施規定（案）」の基準を十分に満たすものであり、この風洞実験装置１０は野外の気流状態を正確に再現し得る風洞実験装置であるということが実験により実証されている。

このように本実施例によれば、整流部１１で整流された気流が乱流制御部１２により乱れを生起され、この乱れが乱流拡散部１３でさらに増加され拡散されるため、例えば乱流拡散部１３が無く整流部１１の後流端と煙源部１４の上流端との間の距離が本実施例より短い気流制御条件下で原子力学会の気象指針を満たす所望の水平方向拡散幅が再現できる風洞実験装置（図７及び図１１参照）と同様に、これと比較して整流部１１の後流端と１４煙源部の上流端との間の距離が増大するにもかかわらず、原子力学会の気象指針を満たす所望の水平方向拡散幅が再現でき、対象となる風洞実験の地形模型等に制約されずに汎用性が高められると共に実験等の効率化が図れる。

換言すれば、例えば図９に示した既存の大型拡散風洞３００においても、地形模型の再現範囲が直径１２km（風洞に換算すると６ｍ）を超える場合には、ターンテーブル３０１の直径が１２ｍの♯４風洞を用いることができ、実験の効率化が可能となるのである。

尚、上述した気流制御条件は、図３に示すように、多数の予備検討実験を行った結果得られたもので、一意的に得られたものではありません。これらからも、Ｎｒ１２とＮｒ１３を安全審査の風洞実験に適用することができることが判る。

また、図４に、高さ５０ｍｍのＬ型のアングル部材（乱流拡散部１３）の設置範囲を検討したグラフに示すように、風下２０００ｍ（風洞に換算すると１ｍ）と４０００ｍ（風洞に換算すると２ｍ）の実験値が共に原子力学会の気象指針を満たすには、煙源風上−４．５ｍ〜−５．７ｍが好適であることが判る。

尚、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で乱流拡散部の形状変更等各種変更が可能であることはいうまでもない。

本発明の一実施例を示す風洞実験装置の要部を示す断面図であって、説明をわかりやすくするため風洞実験装置の風路内の配置のみを示す図である。 図１のように配置された風洞実験装置を使用して得られた排煙拡散風洞実験の結果を示すグラフである。 予備検討実験の気流制御条件による水平方向拡散幅のグラフである。 Ｌ型のアングル部材（乱流拡散部１３）の設置範囲を検討したグラフである。 従来の風洞実験装置の要部を示す断面図であって、説明をわかりやすくするため風洞実験装置の風路内の配置のみを示す図である。 図５のように配置された風洞実験装置を使用して得られた排煙拡散風洞実験の結果を示すグラフである。 特許文献１の風洞実験装置の要部を示す断面図であって、説明をわかりやすくするため風洞実験装置の風路内の配置のみを示す図である。 図７のように配置された風洞実験装置を使用して得られた排煙拡散風洞実験の結果を示すグラフである。 既存の大型拡散風洞の平面図である。 従来の気流制御条件を図９の既存の大型拡散風洞に適用した断面図である。 特許文献１の気流制御条件を図９の既存の大型拡散風洞に適用した断面図である。

符号の説明

１０ 風洞実験装置
１１ 整流部
１１ａ 木格子
１１ｂ 整流金網
１２ 乱流制御部
１２ａ スリット
１２ｂ スパイア
１３ 乱流拡散部
１４ 煙源部
１４ａ 煙吐出口
Ｒ 風路

Claims (4)

1. 風路に流入する気流全体を一様かつ乱れの少ない気流とする整流部と、
   前記一様かつ乱れの少ない気流に、実験に必要な平均速度および乱れの分布を与える乱流制御部と、
   前記乱流制御部にて発生した乱れをより拡散させる乱流拡散部と、
   前記風路を形成する風洞の胴部から気流内に突き出た状態で設置され、先端に設けられた煙吐出口から煙を吐出する煙源部と、
   を前記風路の風軸方向上流側から下流側に向かって具備する風洞実験装置であって、
   前記整流部の後流端と、前記乱流制御部の上流端との間の距離は３ｍ〜５ｍであり、
   さらに、前記乱流拡散部の上流端と前記煙源部の上流端との間の距離は４．５ｍ〜５．７ｍであり、
   かつ、前記整流部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は１５．７ｍ〜１７．７ｍであることを特徴とする風洞実験装置。
2. 前記整流部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は１６．６９ｍであることを特徴とする請求項１に記載の風洞実験装置。
3. 前記乱流拡散部は、風洞の幅方向に高さ４０ｍｍ〜５０ｍｍの板状の堰にて構成されていることを特徴とする請求項１に記載の風洞実験装置。
4. 前記乱流制御部の上流端と、該乱流制御部の後流端との間の距離は６．４５８ｍであり、前記乱流制御部の後流端と、前記煙源部の上流端との間の距離は６．３５ｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の風洞実験装置。

Images