JP2010025655A - 多点流速測定装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 測定点を任意の間隔に設定でき、ある時点における流速の分布を測定できる多点流速測定装置および方法を提供する。
【解決手段】 多点流速測定装置１は、全体として、中空の略板状の本体を有し、流れに直角な線上（Ｙ軸上）に延びる先端縁１０と、先端縁１０から下流に向けて流線型に膨らむ膨張部１１と、膨張部１１から下流に向けて平行に延びる平板部１２とを備える。先端縁１０には、複数の総圧測定用圧力孔２１が配列されており、総圧測定用圧力孔２１の各々の後方の平板部１２には、静圧測定用圧力孔２２が配列されている。各測定点が一体となった測定装置であるため、測定点の間隔を狭くしても測定点間の流れの干渉を生じない。
【選択図】 図１

Description

本発明は、多数の点における流速（流速分布）を一度に測定できるピトー管型の流速測定装置及び方法に関する。

空気などの流れの中にプローブを置いてその流速を測定する代表的な装置として、ピトー管や熱線流速計がある。通常このような装置には１個のプローブが備えられているだけであり、測定点は１ヶ所である。流速の空間的な分布を求める場合には、以下の方法がとられる。

図６は、流速の空間的な分布を求める方法の従来例を説明する図である。
図６（Ａ）に示すように、プローブＰを多数の測定点に移動させ、測定点毎に測定する。
図６（Ｂ）に示すように、複数個のプローブＰ１、Ｐ２・・・を各測定点に配置して一度に測定する。

上記の方法には以下のような特徴がある。
図６（Ａ）に示す、プローブＰを移動して測定する方法においては、測定点を任意に細かく設定することができる。しかし、プローブＰを移動する設備が必要であり、試験の実施が煩雑になる。また、プローブＰの移動→測定の手順を繰り返すため、測定時間がかかる。さらには、複数の測定点で同時に測定することができないので、ある時点における流れの分布を得ることができない。

一方、図６（Ｂ）に示す、複数個のプローブＰを使用する方法においては、プローブＰを移動する設備が不要であり、測定時間も短くできる。さらに、複数の測定点で同時に測定することができる。ただし、プローブＰを接近しすぎるとプローブ周りの流れが干渉するため、測定点の間隔を細かく設定できない。

本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、測定点を任意の間隔に設定でき、ある時点における流速の分布を測定できる多点流速測定装置および方法を提供することを目的とする。

本発明の多点流速測定装置は、 流体の流れの中に置かれてその流速を測るためのピトー管型の流速測定装置であって、 流れの上流に向けて置かれる、線状に延びる先端縁と、 該先端縁から後方に向けて流線形に膨らむ膨張部と、 該膨張部から後方に延び互いに平行に対向する平板部と、 前記先端縁に沿って配列された複数の総圧測定用圧力孔と、 前記平板部において、前記総圧測定用圧力孔の後方に配列された複数の静圧測定用圧力孔と、 各圧力孔に連結された圧力伝達管と、 を具備することを特徴とする。

本発明によれば、複数の総圧測定用圧力孔及び静圧測定用圧力孔が配列されているので、先端縁の延びる方向における流速の分布を求めることができる。この際、各測定点における流速を同時に求めれば、ある時点における流速分布を得ることができる。また、プローブを移動させる必要もない。さらに、各測定点が一体となった測定装置であるため、測定点の間隔を狭くしても測定点間の流れの干渉を生じない。圧力孔の間隔を狭くした場合、より細かい流速分布を得ることができる。

本発明の他の多点流速測定装置は、 流体の流れの中に置かれてその流速及び流れの方向を測るためのヨーメータ型の流速測定装置であって、 流れの上流に向けて置かれる、線状に延びる先端縁と、 該先端縁から後方に向けて膨らむ膨張部と、 該膨張部から後方に延びる中央板部及び尾部と、 前記先端縁に沿って配列された複数の縁部圧力孔と、 前記膨張部において、前記縁部圧力孔の後方に配列された複数の膨張部圧力孔と、 各圧力孔に連結された圧力伝達管と、 を具備することを特徴とする。

本発明によれば、先端縁に沿って複数の総圧測定用圧力孔が配列されているので、先端縁の延びる方向における流速及び流れの方向の分布を求めることができる。

本発明においては、 流れの下流側後端縁にも前記圧力測定用の圧力孔が開けられていることとすれば、流れの方向が逆になった場合でも、装置の向きを変えたり交換することなく、流速や流向を測定することができる。例えば、鉄道車両において、走行方向が逆になった場合でも一つの装置で測定することができる。

さらに、本発明においては、 前記先端縁方向に隣接する前記圧力孔の間隔が２種類以上であることとすれば、異なるピッチの測定点を選択できる。

本発明の多点流速測定方法は、 流体の流速を測る流速測定方法であって、 前記流れの上流に向けた総圧測定用圧力孔を、該流れと直交する方向に複数配置し、 該総圧測定用圧力孔の各々の下流に、前記流れに平行な面に開口する静圧測定用圧力孔を配置し、 前記総圧測定用圧力孔の各々について、該総圧測定用圧力孔と、該総圧測定用圧力孔に対応する前記静圧測定用圧力孔との圧力差を測定することにより、前記流れと直交する方向における流速の分布を測定することを特徴とする。

本発明の他の多点流速測定方法は、 流体流速及び流れの方向を測る流速測定方法であって、 流れの上流に向けて置かれる、線状に延びる先端縁と、 該先端縁から後方に向けて膨らむ膨張部と、 該膨張部から後方に延びる中央板部及び尾部と、 前記先端縁に沿って配列された複数の縁部圧力孔と、 前記膨張部において、前記縁部圧力孔の後方に配列された複数の膨張部圧力孔と、 各圧力孔に連結された圧力伝達管と、 を具備する多点流速測定装置を用い、 前記縁部圧力孔の各々について、該縁部圧力孔、及び、該縁部圧力孔に対応する前記膨張部圧力孔の圧力差を測定することにより、前記流れと直交する方向における流速及び流向の分布を測定することを特徴とする。

以上の説明から明らかなように、本発明によれば、複数の総圧測定用圧力孔及び静圧測定用圧力孔が線上に配列されているので、この線の延びる方向における流速の分布を求めることができる多点流速測定装置を提供できる。さらに、各測定点が一体となった測定装置であるため、測定点の間隔を狭くしても測定点間の流れの干渉を生じないので、測定点の間隔を任意に設定できる。また、プローブを移動させるような設備も必要もない。本発明の多点流速測定装置は、風洞試験や、鉄道車両や自動車、航空機、船舶などの現地・現車測定、ダクトなどの流路における流速・流向の分布の測定に使用できる。また、流体として気体と液体の双方に適用できる。

発明を実施するための形態

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の流速測定装置は、ピトー管の測定原理を応用したものである。
まず、ピトー管の測定原理を説明する。
図４は、ピトー管の測定原理を説明する図である。
ピトー管８０とは、流線型の先端を有する中空の管（直径数ｍｍ程度）であり、管の先端には総圧測定用の孔８１が開けられており、平行な側面の各々には静圧測定用の孔８２が開けられている。具体的な構造としては、ピトー管８０は、内側の管８５と外側の管８６の二重の管構造となっており、内側の管８５が総圧測定用の孔８１に接続して、圧力伝達管として作用する。そして、外側の管８６と内側の管８５の間の空間が、静圧測定用の孔８２と接続する圧力伝達管として作用している。各圧力伝達管は管８０の外側で、差圧計を挟んでつながっている。この差圧計により、管８０の先端の総圧測定用の孔８１の圧力Ｐｔと静圧測定用の孔８２の圧力Ｐｓの差が測定される。なお、各圧力伝達管を、差圧計ではなく圧力計に接続し、測定された圧力の差を演算することで、差圧の測定を行うこともできる。

ベルヌーイの定理によれば、流れの中の圧力は流速が大きいほど低く、流速が小さいほど高い。この原理に基づくと、ピトー管８０の先端を流れ（流速Ｕ）の上流に向けて置いたとき、先端部では、流速がゼロとなり、圧力（総圧）（Ｐｔ）は最も高くなる。一方、側面では、一様流（流速Ｕ）の圧力（静圧）（Ｐｓ）がかかる。そこで、総圧（Ｐｔ）と静圧（Ｐｓ）の差からベルヌーイの定理により流速を算出する。

図１は、本発明の実施の形態に係る流速測定装置の構造を説明する図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は側面断面図である。以下の説明において、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向は、図のＸ、Ｙ、Ｚ方向を示す。この例では気流の方向を図の矢印で示すＸ方向とする。
流速測定装置１は、全体として、幅方向（Ｙ方向）に広く、Ｘ方向に長い中空の略板状の本体を有する。本体の断面形状は、図１（Ｂ）に示すように、上流側先端１０と、図の上下の側面２、３と、下流側の下流側端面６とからなる先端が流線型の形状である。両側面２、３は、上流側先端縁１０から下流に向けて流線型に膨らみ、下流側端面６に向かって平行に延びている。このような形状により、本体は、流れに直角な線上（Ｙ軸上）に延びる先端縁１０と、先端縁１０から下流に向けて流線型に膨らむ膨張部１１と、膨張部１１から下流に向けて平行に延びる平板部１２とを備える。

図１（Ａ）に示すように、本体の内部は、上流から下流方向（Ｘ方向）に延びる仕切り板７で、複数の区画Ｓ１、Ｓ２・・・に分けられている。各区画Ｓの先端縁１０には、総圧測定用圧力孔２１が開けられている。総圧測定用圧力孔２１には、圧力伝達管３１が連結されている。圧力伝達管３１は、区画Ｓ内を下流方向に延びて、下流側端面６から突き出している。

さらに、各区画Ｓの平板部１２（総圧測定用圧力孔の下流側）の上下側面２、３の対向する位置には、静圧測定用圧力孔２２が開けられている。つまり、静圧測定用圧力孔２２は、流れに平行な面に開口している。静圧測定用圧力孔２２は、総圧測定用圧力孔２１と同じ面（Ｘ−Ｚ面）上に位置している。また、各区画Ｓの下流側端面６には、接続管３３が接続している。各区画の、総圧測定用圧力伝達管３１の周囲の空間３２が、静圧測定用圧力孔２２と接続する圧力伝達管として作用し、この空間３２が接続管３３と連通している。

このような構造により、各区画Ｓが１個のピトー管として作用し、この流速測定装置１は、ピトー管をＹ方向に並べた構造を有する。

本体の下流側端面６から突き出た総圧測定用圧力伝達管３１、及び、総圧測定用圧力伝達管３１の周囲の空間３２に接続する接続管３３には、差圧計３５が接続される。差圧計３５は、区画Ｓ毎に取り付けられる。また、多点計測の可能な圧力計を使用すれば、同時に測定した各圧力孔の圧力から各区画の差圧を演算することができる。各区画Ｓの差圧を測定し、前述のベルヌーイの定理を適用して流速を測定することにより、Ｙ方向における流速分布を得ることができる。

なお、仕切り板７の間隔は任意に設定することができる。つまり、先端縁１０に形成された総圧測定用圧力孔２１の間隔を任意に設定でき、所望のピッチで流れの分布を測定することができる。一例として、最小ピッチは数ｍｍ程度である。

図２は、図１の流速測定装置の構造の他の例を説明する図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は側面断面図である。図１と同じ作用を有する部材は図１と同じ符号を付し、説明を省略する。
この例の流速測定装置１は、図１の流速測定装置と異なり、本体の内部を仕切る仕切り板７が設けられていない。また、１個の総圧測定用圧力孔２１に対して、１個の静圧測定用圧力孔２２が開けられている。そして、この静圧測定用圧力孔２２に、圧力伝達管３２が連結されている。圧力伝達管３２は、下流方向に延びて、下流側端面６から突き出している。この例においても、一対の総圧測定用圧力孔２１と静圧測定用圧力孔２２の差圧を測定することにより、Ｙ方向における流速の分布を得ることができる。

さらに、以下の変形例も挙げられる。
図１の流速測定装置の下流側にも、上流側と同様に、流線型の膨張部と、先端縁とを設けて、その先端縁に総圧測定用圧力孔を開けておく。つまり、流れの方向に対して両側に総圧測定用圧力孔を開けておく。そして、各圧力伝達管を、例えば、流速測定装置のＹ方向端部から装置外部に突き出すようにしておく。これにより、鉄道車両などにおいて、いずれの走行方向においても流速を測定することができる。

次に、本発明の他の例を説明する。
本発明の流速測定装置は、三孔管の原理を適用することにより、多点での流速と流向を測定するヨーメータに適用できる。
まず、三孔管について説明する。
図５は、三孔管の原理を説明する図である。
三孔管９０とは、ピトー管と同様に、先端を流線型に成形した中空の管（直径数ｍｍ程度）で、管の先端に１個の圧力孔９１が開けられ、その近傍に２個の孔９２、９３が開けられたものである。孔９１、９２、９３には、各々圧力伝達管９５、９６、９７が接続している。これらの圧力伝達管は、管９０の外側で差圧計９８（または圧力計）に接続される。前述のように、流れの中の圧力はベルヌーイの定理に従うため、三孔管の表面に流れが沿って流体が流れる場合、流速や流体の作用する角度（流向）によって圧力孔近傍の流速が変化する。これにより３個の圧力孔の圧力の関係が変化する。そこで、予め流速や流向と３個の圧力孔の圧力の関係（３個の圧力孔の圧力差や圧力差の比など）を調べて校正しておく。そして、対象の流体中に三孔管を挿入した場合の３個の圧力孔の圧力の関係から流速と流向とを求めることができる。なお、ここでいう流向とは、３個の圧力孔の存在する平面内の流向である。
この三孔管は、ピトー管と異なり流向と圧力の関係について事前の校正が必要であるが、一度校正すれば原則的にはその後の校正は必要ない。

図３は、本発明の実施の形態に係るヨーメータの構造を説明する図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面断面図である。
この例の流速測定装置５１も、全体として、幅方向（Ｙ方向）に広い中空の略板状の本体を有する。本体の断面形状は、図３（Ｂ）に示すように、上流側先端６０と、図の上下の側面５２、５３とからなる、両端部が流線型の形状である。両側面５２、５３は、上流側先端縁６０から下流に向けて流線型に膨らみ、下流後端縁に向かって流線型に閉じている。この例では静圧を測定する必要がないので、下流側の形状は図１（Ｂ）に示したような平板部を備える必要はなく、どのような形状でもよい。ただし、迎角のついた流れに影響を与えないような形状であることが好ましい。このような形状により、本体は、流れに直角な線上（Ｙ軸上）に延びる先端縁６０と、先端縁６０から後方に向けて膨らむ膨張部６１と、膨張部６１から後方に延びる中央板部及び尾部６２と、を有する。

先端縁６０には、Ｙ方向に任意のピッチで圧力孔（縁部圧力孔）６５が開けられている。この圧力孔６５に対して、その周囲の膨張部６１に２個の圧力孔（膨張部圧力孔）６６、６７が開けられている。各圧力孔６５、６６、６７は同じ面（Ｘ−Ｚ面）上に位置する。圧力孔６５、６６、６７には圧力伝達管７１、７２、７３が接続しており、同圧力伝達管７１、７２、７３は差圧計（または圧力計）に接続している。３個の圧力孔のうちの２個の組み合わせの各々の差圧を測定し、それらの関係から流速と流向を求める。そして、Ｙ方向に並んだ全ての圧力孔に対して流速と流向を計測することにより、流速及び流向のＹ方向の分布を得ることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係る流速測定装置の構造を説明する図であり、図１（Ａ）は平面図、図１（Ｂ）は側面断面図である。 図１の流速測定装置の構造の他の例を説明する図であり、図２（Ａ）は平面図、図２（Ｂ）は側面断面図である。 本発明の実施の形態に係るヨーメータの構造を説明する図であり、図３（Ａ）は平面図、図３（Ｂ）は側面断面図である。 ピトー管の測定原理を説明する図である。 三孔管の原理を説明する図である。 流速の空間的な分布を求める方法の従来例を説明する図である。

符号の説明

１ 流速測定装置 ２、３ 側面
６ 下流側端面 １０ 先端縁
１１ 膨張部 １２ 平板部
２１ 総圧測定用圧力孔 ２２ 静圧測定用圧力孔
３１ 圧力伝達管 ３２ 空間
３３ 接続管 ３５ 差圧計
５１ 流速測定装置 ５２、５３ 側面
６０ 先端縁 ６１ 膨張部
６２ 中央板部及び尾部 ６５ 圧力孔（縁部圧力孔）
６６、６７ 圧力孔（膨張部圧力孔） ７１、７２、７３ 圧力伝達管

Claims (6)

1. 流体の流れの中に置かれてその流速を測るためのピトー管型の流速測定装置であって、
   流れの上流に向けて置かれる、線状に延びる先端縁と、
   該先端縁から後方に向けて流線形に膨らむ膨張部と、
   該膨張部から後方に延び互いに平行に対向する平板部と、
   前記先端縁に沿って配列された複数の総圧測定用圧力孔と、
   前記平板部において、前記総圧測定用圧力孔の後方に配列された複数の静圧測定用圧力孔と、
   各圧力孔に連結された圧力伝達管と、
   を具備することを特徴とする多点流速測定装置。
2. 流体の流れの中に置かれてその流速及び流れの方向を測るためのヨーメータ型の流速測定装置であって、
   流れの上流に向けて置かれる、線状に延びる先端縁と、
   該先端縁から後方に向けて膨らむ膨張部と、
   該膨張部から後方に延びる中央板部及び尾部と、
   前記先端縁に沿って配列された複数の縁部圧力孔と、
   前記膨張部において、前記縁部圧力孔の後方に配列された複数の膨張部圧力孔と、
   各圧力孔に連結された圧力伝達管と、
   を具備することを特徴とする多点流速測定装置。
3. 流れの下流側後端縁にも前記圧力測定用の圧力孔が開けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の多点流速測定装置。
4. 前記先端縁方向に隣接する前記圧力孔の間隔が２種類以上であることを特徴とする請求項１、２又は３に記載の多点流速測定装置。
5. 流体の流速を測る流速測定方法であって、
   前記流れの上流に向けた総圧測定用圧力孔を、該流れと直交する方向に複数配置し、
   該総圧測定用圧力孔の各々の下流に、前記流れに平行な面に開口する静圧測定用圧力孔を配置し、
   前記総圧測定用圧力孔の各々について、該総圧測定用圧力孔と、該総圧測定用圧力孔に対応する前記静圧測定用圧力孔との圧力差を測定することにより、前記流れと直交する方向における流速の分布を測定することを特徴とする多点流速測定方法。
6. 流体流速及び流れの方向を測る流速測定方法であって、
   流れの上流に向けて置かれる、線状に延びる先端縁と、
   該先端縁から後方に向けて膨らむ膨張部と、
   該膨張部から後方に延びる中央板部及び尾部と、
   前記先端縁に沿って配列された複数の縁部圧力孔と、
   前記膨張部において、前記縁部圧力孔の後方に配列された複数の膨張部圧力孔と、
   各圧力孔に連結された圧力伝達管と、
   を具備する多点流速測定装置を用い、
   前記縁部圧力孔の各々について、該縁部圧力孔、及び、該縁部圧力孔に対応する前記膨張部圧力孔の圧力差を測定することにより、前記流れと直交する方向における流速及び流向の分布を測定することを特徴とする多点流速測定方法。

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