JP5105292B2 - 流体移送装置及び流体移送方法 - Google Patents

Description

本発明は、管路内を流れる流体を移送するための流体移送装置及び流体移送方法に関する。

パイプライン輸送等による流体の移送において、移送する際の流体のエネルギー損失を抑制する技術が提案されている。
例えば、流体が流れる管路内に、リブレットと呼ばれる微小な突起を管の内壁に貼り付け、又は、管の内壁を微小な突起に加工することによって形成し、管の内壁と流体との摩擦抵抗係数を低減する方法が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、管路内を流れる流体に対してポリマーを添加することにより、管の内壁と流体との摩擦抵抗係数を低減する方法が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
M.J.walsh, AIAA Paper, 82-0169 (1982) P.S.Virk, AiChE J., 21, 625 (1975)

しかしながら、管の内壁にリブレットを形成する方法では、最大でも８％程度しか摩擦抵抗を抑制することができない。また、リブレットが微小な突起であるためゴミ等が付着しやすく、ゴミ等が付着した場合には、抵抗を低減するという効果がなくなってしまう。このため、管の内壁にリブレットを形成する方法は、実用化には至っていない。

また、流体にポリマーを添加する場合には３０％程度の抵抗低減率が得られる。しかし、この方法は、ポリマーを添加することが可能な石油等の液体を移送する場合に、適用できる範囲が限定されてしまう。また、添加されたポリマーは、ガソリン等の最終製品においても混入されたままとなるため、内燃機関の性能が低下する等の問題がある。

上述した問題の解決のため、本発明においては、液体や気体等の状態に係わらずに適用でき、エネルギー損失を低減することが可能な流体移送装置及び流体移送方法を提供するものである。

本発明の流体移送装置は、管路と、管路内を流れる流体の速度を変化させて流体に脈動を発生させる手段とを備え、脈動を発生させる手段が、管路内に設けられている管路内の流体を加圧して速度を変化させる加圧手段と、加圧手段を駆動する駆動手段と、駆動手段を制御して、流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御することによって乱流状態の流体を層流化させる制御手段とを有することを特徴とする。

また、本発明の流体移送方法は、管路内を流れる流体を加圧することにより加速と減速
を繰り返し、流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御して流体を脈動させて移送することを特徴とする。

本発明の流体移送装置及び流体移送方法によれば、管路内を流れる流体に速度変化を与えて脈動させることにより、管路と流体との壁面摩擦抵抗が少ない状態を作り出すことができる。

本発明によれば、脈動させなければ乱流状態にある管路内の流体に対し、脈動させることで摩擦抵抗を軽減させることができるため、少ないエネルギーで流体を移送することが可能である。

Ａ，Ｂは、本発明の一実施の形態に係わる流体移送装置の概略図である。 流体の駆動圧力の波形特性を示す図である。 シミュレーションを行う計算領域を説明するための図である。 Ａは、時間と流速の関係を示す図である。Ｂは、時間と流体の乱れの関係を示す図である。 Ａは、加速時の流速分布を示す図である。Ｂは、減速時の流速分布を示す図である。 Ａは、加速時の流速分布を示す図である。Ｂは、減速時の流速分布を示す図である。 壁面摩擦係数とレイノルズ数との関係を示す図である。 実験例における圧力勾配差αと脈動周期Ｔ^＊との関係を示す図である。 実験例における圧力勾配差α及び脈動周期Ｔ^＊と、動力低減率［Ｒ_Ｗ］_Ｔとの関係を示す図である。 実験例における圧力勾配差α及び脈動周期Ｔ^＊と、動力低減率［Ｒ_Ｄ］_Ｔとの関係を示す図である。 実験用の循環管路の概略構成を示す図である。

符号の説明

１１ 管路
１２，２１ ポンプ
１３ モータ
１４ インバータ
１５ 電源
１６ 蓄電池
２０ 循環管路
２２Ａ，２２Ｂ 圧力計
２３ 試験区間
２４ 流量計
２５ 空気孔
２６ 給水孔

本発明の一実施の形態に係わる流体移送装置を説明するための概略図を図１に示す。
図１Ａは、流体移送装置において管路内を流れる流体を加速させている状態を示し、図１Ｂは、管路内を流れる流体を減速させている状態を示す。

図１Ａ，Ｂに示す流体移送装置は、流体が流れる管路１１と、この管路１１内を流れる流体の速度を変化させて脈動を発生させる手段とから構成される。そして、この脈動を発生させる手段として、管路１１内に設けられた流体を加速させるための加圧手段であるポンプ１２と、ポンプ１２を駆動するための駆動手段であるモータ１３が備えられる。また、このモータ１３を制御するための制御手段としてインバータ１４が備えられる。さらに、モータ１３を駆動するため、インバータ１４を介してモータ１３に電力を供給する電源１５と蓄電池１６とを備える。

上述の流体移送装置において、管路１１内の流体を加速する際には、図１Ａに示すように、電源１５及び蓄電池１６からインバータ１４を介してモータ１３に電力を供給する。そして、モータ１３を駆動することにより、ポンプ１２内に設けられた羽根状の回転子を回転させて管路１１内の流体に駆動圧力を加える。
このように、管路１１内の流体に駆動圧力を加えることにより、流体を加速することができる。

また、流体を減速させる際には、モータ１３を停止して流体へ駆動圧力を止める。そして、図１Ｂに示すようにポンプ１２内に設けられた回転子を流体の抵抗として作用させて流体を減速することができる。
また、減速する際に、管路１１内において抵抗として作用させたポンプ１２内の回転子が、管路内の流体を流れによって回転することにより、モータ１３を発電機として利用することができる。このため、ポンプ１２及びモータ１３により流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、蓄電池１６に蓄えることができる。
このように流体移送装置に蓄電池と発電手段を備えることで、流体移送において減速する際の流体のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを再び流体を加速する際に利用することができる。このため、より少ないエネルギーで流体を移送することができる。

上述のように流体を加速状態と減速状態とに変化させることで、流体を脈動させることができる。このとき、モータ１３をインバータ１４によって制御することで、流体の加速と減速とを任意に制御することができる。そして、インバータ１４の制御によって、流体の加速と減速とを繰り返して行うことにより、流体の脈動を自由に制御することができる。
そして、流体の加速と減速を制御し、流体の脈動を任意に制御することにより、管路１１内の脈動する流体を乱流から層流に変えることが可能である。

上述のように、流体の加速と減速を繰り返し、流体に脈動性を与えることで流体の乱流を弱めて層流化（再層流化）する際、流体の再層流化を実現するには、流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、流体の駆動圧力を制御することが特に重要である。
ここで、図２に流体の駆動圧力の波形特性を示す。図２において縦軸−ｄＰ^＊／ｄｘ^＊は、駆動圧力の流れ方向の平均勾配をδ／（ρｕ_τ ^２）で除した無次元数を表す。例えば、モータ１３の駆動圧力を一定とした場合、−ｄＰ^＊／ｄｘ^＊は１となる。
また、δは管路１１の半径［ｍ］、ρは流体の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｕ_τは、下記式（１）に示す摩擦速度［ｍ／ｓ］、τ_wは管壁面摩擦応力［Ｎ／ｍ^２］を表す。

また、図２において横軸ｔは、時間をδ/u_τで除した無次元時間を表す。
また、α_ａは加速時の圧力勾配をδ/(ρu_τ ²)で除した無次元圧力勾配、α_ｂは減速時
の圧力勾配をδ/(ρu_τ ²)で除した無次元圧力勾配、Ｔ^＊は加速期間と減速期間の繰り返し
周期における一周期の時間をδ/u_τで除した無次元時間、Ｔａは一周期の加速期間をδ/u_τで除した無次元時間、Ｔｂは一周期の減速期間をδ/u_τで除した無次元時間を表す。

図２において、縦軸−ｄＰ^＊／ｄｘ^＊が０より大きい期間を加速期間Ｔａとし、０より小さい期間を減速期間Ｔｂとする。そして、加速期間Ｔａと減速期間Ｔｂの合計を脈動周期Ｔ^＊とする。
また、図２は一周期平均の圧力勾配を１に固定した状態を示している。このため、加速期間の圧力勾配α_ａと減速期間の圧力勾配α_ｂとの平均は１となる。そして、加速期間及び減速期間の圧力勾配差はα_ａ−α_ｂとして表すことができる。

図２に示した波形特性のパラメータ、脈動周期Ｔ^＊、圧力勾配差α_ａ−α_ｂ、及び、加速期間と減速期間の比Ｔａ／Ｔｂを、流体が再層流化するための条件内とすることにより、流体を再層流化することができる。そして、各パラメータが上述の範囲内となるように、図１Ａ，Ｂに示した流体移送装置の電源１５、蓄電池１６、モータ１３、ポンプ１２を制御する。これにより、管路１１内の流体の再層流化を実現することができる。

次に、下記に示す連続の式（２）と、ナビエ・ストークス方程式（３）を連立して解くことにより、乱流の直接数値シミュレーション（ＤＮＳ：Direct Numerical Simulation
）を行った。このシミュレーションは、基礎方程式に特別なモデル化を加えず直接解く方法である。この方法により上述の再層流化を実現するための各パラメータの範囲を求めることができる。

また、上記式（２）（３）において各項を以下の式（４）で示す無次元化を行った。

上記式（２）（３）（４）において、各記号は以下を定義するものである。
δ：チャネル半幅
ｕ_τ０：初期の壁面摩擦速度
ν：粘性係数
Ｒｅ_τ０：初期の摩擦レイノルズ数

上述のシミュレーションは、日立製作所社製のスーパーコンピュータＳＲ８０００及びＳＲ１１０００を用いて行った。
また、シミュレーションの計算領域を図３に示す。計算領域は、図３に示す２枚の平行平板間に流体を通すモデルに適用する。また、シミュレーションは、レイノルズ数Ｒｅ_τ０を１１０として、表１に示す領域及び格子点数で行った。

また、上述のシミュレーションにおいて空間微分の近似及び時間進行は以下の方法を用いて計算した。
（計算法）
時間進行 粘性項：２次精度Ｃｒａｎｋ−Ｎｉｃｏｌｓｏｎ法
対流項：４次精度Ｒｕｎｇｅ−Ｋｕｔｔａ法
空間離散化 ｘ，ｚ方向：フーリエスペクトル法
ｙ方向：チェビシェフ・タウ法
境界条件 ｘ，ｚ方向：周期境界
ｙ方向：滑りなし

上述のシミュレーションを下記の実験例１で示す条件によって行い、平均流速ｕ_ｂ ^＊と時間ｔ^＊との関係、及び、流体の乱れｋ^＊と時間ｔ^＊との関係を求めた。図４にこのシミュレーションの結果を示す。

（実験例１）
Ｒｅ_τ＝１１０
脈動周期Ｔ^＊＝１１．２
圧力勾配差α_ａ−α_ｂ＝８
Ｔａ／Ｔｂ＝１

図４Ａにおいて縦軸ｕ_ｂ ^＊は、流体の平均流速を表し、図４Ｂにおいて縦軸ｋ^＊は、流体の乱れを数値化したものである。また、図４Ａにおいて破線はＲｅ_τ＝１１０の流体の定常状態での平均流速である。
また、図４Ａ，Ｂにおいて横軸ｔ^＊は上述の無次元時間を表し、同一時間ｔ^＊において図４Ａと図４Ｂとを比較することにより、流体の速度と乱れの関係を表すことができる。

図４Ａに示す流体の平均流速ｕ_ｂ ^＊の増加と減少を繰り返し、脈動を開始した直後では、平均流速ｕ_ｂ ^＊の上昇とともに図４Ｂに示す乱れｋ^＊が低下し、平均流速ｕ_ｂ ^＊の減少とともに流体の乱れｋ^＊が上昇する。
そして、脈動を繰り返すことにより、ある時間から流速の増減にかかわらず流体の乱れｋ^＊の値が低下してほぼ０に近い状態で安定する。このように、脈動を繰り返すことで、流体の加速や減速等の状態に係わらず流体に乱れが発生しない状態となる。図４Ｂにおいて、この乱れｋ^＊をほぼ０で安定させた状態が、流体を再層流化した状態である。

また、図４Ａに示すように、脈動の開始直後では、加速時には流速ｕ_ｂ ^＊が上昇し、減速時には流速ｕ_ｂ ^＊が低下する。このため、流体の平均流速がＲｅ_τ＝１１０の定常状態での平均流速とほぼ同じとなる。
これに対して、脈動を繰り返した後、流体の乱れｋ^＊がほぼ０で安定化した状態では、加速時、減速時にかかわらず平均流速ｕ_ｂ ^＊が、Ｒｅ_τ＝１１０の流体の定常状態での平均流速以上の値を示す。そして、図４Ｂにおいて流体の乱れｋ^＊がほぼ０で安定した後は、図４Ａに示すように流体の速度ｕ_ｂ ^＊が脈動しながら上昇した状態で安定する。
つまり、流体を脈動させることにより、流体を再層流化することができ、速度ｕ_ｂ ^＊をＲｅ_τ＝１１０の流体の定常状態での平均流速以上で安定させることができる。また、流体が脈動により再層流化することで流体が流れやすくなり、定常状態の流体と同じ駆動力を加えた場合でも高い流速が得られることがわかる。
従って、図４Ａ，Ｂから流体を脈動させることにより、流体を再層流化して流速が上昇することがわかる。このため、乱流状態での流体の移送に比べ、より少ないエネルギーで流体の移送が可能となる。

次に、図５，６に上述のシミュレーションによって求められた流体の流速分布の変化を示す。図５は、上記実験例１の条件によってシミュレーションを行った結果であり、図６は下記の実験例２の条件によってシミュレーションを行った結果である。また、図５，６において、縦軸は、流体の流速ｕ^＊を表し、横軸は時間ｙ方向のチャネル幅ｙ／δを表す。

（実験例２）
Ｒｅ_τ＝１１０
脈動周期Ｔ^＊＝９．６
圧力勾配差α_ａ−α_ｂ＝８
Ｔａ／Ｔｂ＝１

図５Ａ及び図６Ａは、上述の条件の流体において流速が増加した状態を示し、図５Ｂ及び図６Ｂは、流速が減少した状態を示す。
また、図５Ａ及び図６Ａは、流速が増加した状態において時間ｔ^＊／Ｔ^＊を１／２０〜１０／２０まで１０分割し、分割したそれぞれの状態での流速分布を示している。図５Ｂ及び図６Ｂは流速が減少した状態において、時間ｔ^＊／Ｔ^＊を１１／２０〜２０／２０まで１０分割し、分割したそれぞれの状態での流速分布を示している。

図５Ａ，Ｂに示す流速分布は、ほぼ放物線を示す。流体が層流状態のとき、流速分布は放物線を示すため、図５Ａ，Ｂに示す実験例１の条件では加速時と減速時ともに流体が層流化していることがわかる。
これに対して、図６Ａ，Ｂは、流速分布が台形状を示す。この台形状の流速分布は乱流状態であることを示すため、実験例２の条件では、加速時、減速時ともに乱流状態であることがわかる。

また、図５と図６において、それぞれ同一時間における流速を比較すると、壁面から離れた位置、ｙ／δ＝１付近では各時間ｔ^＊／Ｔ^＊において、実験例１の流速が実験例２の流速を上回ることが分かる。なお、壁面であるｙ／δ＝０及びｙ／δ＝２では、実験例１、実験例２ともに流速は０である。
このように図５，６に示した結果から、実験例１の条件で流体を脈動させることにより再層流化を行うことができ、流速の増加が可能であることがわかる。

次に、上述の実験例１及び実験例２の条件において、壁面摩擦係数Ｃｆとレイノルズ数Ｒｅ_ｍの関係についてのシミュレーション結果を図７に示す。
図７において、縦軸は壁面摩擦係数Ｃｆの対数を示し、横軸はレイノルズ数Ｒｅ_ｍの対数を示す。なお、横軸のレイノルズ数Ｒｅ_ｍは管径が同じであれば速度に比例するため、図７においてＲｅ_ｍの増加は流速の増加と同じを意味を表す。
また、実験例１において脈動の一周期を２２分割した位相平均を○で示し、一周期全体の平均を●で示す。同様に、実験例２において脈動の一周期を２２分割した位相平均を△で示し、一周期全体の平均を▲で示す。さらに、Ｒｅ_τ＝１１０の流体の定常状態での壁面摩擦係数Ｃｆとレイノルズ数Ｒｅ_ｍの関係を◎で示す。
また、図７に下記式（５）〜（７）を表す。式（５）は層流曲線であり、式（６）はＤｅａｎの相関式である。

図７において◎で示したＲｅ_τ＝１１０の流体の定常状態では、流体を脈動させず乱流であるため、壁面摩擦係数ＣｆがＤｅａｎの相関式上に位置する。

これに対して、実験例１では脈動により再層流化しているため、○で示した各位相平均が層流曲線の周囲に分布している。
また、加速区間において壁面摩擦係数Ｃｆが減少し、さらに減速区間においても壁面摩擦係数Ｃｆの両方で壁面摩擦抵抗が減少するという結果が得られた。
これは、図７に示した壁面摩擦係数Ｃｆに対応する、上述の図５Ｂにおける壁面ｙ／δ＝０及びｙ／δ＝２における流速分布の勾配が、減速区間において放物線よりも、やや緩やかになり、流体と壁面との摩擦係数が低下するためと考えられる。

また、実験例２では、△で示した各位相平均がＤｅａｎの相関式の周囲に分布している。そして、加速期間において壁面摩擦係数Ｃｆが減少し、減速期間において壁面摩擦係数Ｃｆが徐々に増加する。また、一周期の壁面摩擦係数Ｃｆは、平均流速がＤｅａｎの相関式に対して少し低く、Ｒｅ_τ＝１１０における定常状態の壁面摩擦係数Ｃｆよりも低い値を示すという結果が得られた。

従って、上述の図７に示した結果より、実験例１の条件によって流体を脈動させて乱流から層流に変える（再層流化）ことで壁面摩擦係数Ｃｆが低下し、層流と同程度の壁面摩擦係数が得られることがわかる。つまり、脈動させなければ乱流状態にある管路内の流体に対し、脈動させることで摩擦抵抗を軽減させることができる。このため、少ないエネルギーで流体を移送することが可能である。

次に、実験例１及び実験例２の条件と同様に、脈動の条件を下記表２、表３及び表４に示すように変更してシミュレーションを行い、仕事率Ｗの動力低減率［Ｒ_Ｗ］_Ｔ（％）及び上述の壁面摩擦係数Ｃｆの摩擦抵抗低減率［Ｒ_Ｄ］_Ｔ（％）を求めた。動力低減率は下記式（８）を用いて求めた。
また、摩擦抵抗低減率は、下記式（９）を用いて求めた。

式（８）においてＷ_Ｄｅａｎは、式（６）のＤｅａｎの相関式から算出した乱流状態での流体の仕事率である。また、式（９）においてＣ_{ｆＤｅａｎ}は、式（６）のＤｅａｎの相関式から算出した乱流状態での流体の壁面摩擦係数である。

また、表２，３におけるＤＰＤＸａｖｅは、下記式（１０）を用いて求められる一周期平均の圧力勾配である。

なお、上述の式（８）において、[Ｗ]_Ｔは、下記式（１１）によって求められる脈動乱流状態の流体の仕事率である。また、上述の式（９）において、[Ｃ_ｆ]_Ｔは、下記式（１２）によって求められる脈動乱流状態の流体の壁面摩擦係数である。

上述のシミュレーションを行った各脈動の条件と結果を表２，３に示す。

上記表２は、上述の実験例１，２の条件と同様に流体の脈動周期Ｔ^＊を変更してシミュレーションを行った結果である。
脈動周期Ｔを１１．２とした実験例１は、再層流化により８０％近い動力低減率を達成することができた。また、実験例１では再層流化により８０％程度の摩擦抵抗低減率を達成することができた。
このように、脈動周期Ｔ^＊を大きくすることにより、脈動による層流化が可能となり、理論上の最小値である層流の約８０％の動力低減率及び摩擦抵抗低減率を達成することができる。
これに対して、脈動周期Ｔ^＊を９．６とした実験例２では、脈動による再層流化がおこらないため、動力低減率が１３％程度、摩擦抵抗低減率が２０％程度に留まる。さらに、脈動周期Ｔ^＊を８〜３．２まで小さくした実験例３〜６では、動力低減率及び摩擦抵抗低減率を実験例２と同程度以下までしか低減することができない。
このように、脈動周期Ｔ^＊が小さくなることにより乱流の影響が大きくなり、動力低減率及び摩擦抵抗低減率の値が小さくなる。

また、上記表３は、上述の実験例４の条件から圧力勾配差α_ａ−α_ｂを変更し、シミュレーションを行った結果である。
実験例４の条件から圧力勾配差を小さくした実験例７及び実験例８では、動力低減率及び摩擦抵抗低減率が実験例４よりも小さくなった。このため、圧力勾配差を小さくすることにより、乱流の影響が大きくなり、壁面摩擦抵抗Ｃｆが大きくなることが分かる。
また、実験例４の条件から圧力勾配差を大きくした実験例９及び実験例１０では、脈動による再層流化がおこらないため、動力低減率が７〜１５％程度、摩擦抵抗低減率が２０％程度に留まる。

そして、実験例９及び実験例１０の条件からさらに圧力勾配差を大きくした実験例１１では、脈動による再層流化が可能となり、実験例１と同様に、８０％近い動力低減率を達成することができ、また、８０％程度の摩擦抵抗低減率を達成することができる。
このように、圧力勾配差α_ａ−α_ｂを大きくすることにより、脈動による層流化が可能となり、理論上の最小値である層流の値約８０％の動力低減率及び摩擦抵抗低減率を達成することができる。

また、上記表４において、実験例１２は、上述の実験例１から脈動周期Ｔ^＊を大きくした場合のシミュレーション結果である。そして、実験例１３は、上述の実験例１から圧力勾配差α_ａ−α_ｂを大きくした場合のシミュレーション結果である。
実験例１２及び実験例１３では、脈動により再層流化が発生した実験例１から更に脈動周期又は圧力勾配差を大きくした場合でも、脈動による再層流化がおこり、動力低減率及び摩擦抵抗低減率を大きく低減することができた。

また、実験例１４は、上述の実験例２から圧力勾配差α_ａ−α_ｂを大きくした場合のシミュレーション結果である。
実験例１５及び実験例１６は、上述の実験例３から圧力勾配差α_ａ−α_ｂを大きくした場合のシミュレーション結果である。
実験例１４〜１６においては、上記表１に示した再層流化が起こらなかった実験例２及び実験例３の条件から、圧力勾配差α_ａ−α_ｂを大きくすることにより再層流化が起こり、動力低減率及び摩擦抵抗低減率を大きく低減することができた。

以上の結果から、例えば、乱流状態の流体を再層硫化するためには、流体に与える脈動の圧力勾配差と脈動周期を大きくすることが重要であると考えられる。
図８〜１０に上記表２〜４の結果をまとめたものを示す。
なお、図８において横軸αは圧力勾配差α_ａ−α_ｂを示し、縦軸Ｔ^＊は脈動周期を示す。
また、図９は、図８に示す圧力勾配差α及び脈動周期Ｔ^＊と、動力低減率［Ｒ_Ｗ］_Ｔとの関係を示す。図１０は、図８に示す圧力勾配差α及び脈動周期Ｔ^＊と、摩擦抵抗低減率［Ｒ_Ｄ］_Ｔとの関係をしめす。

図８に示すように、圧力勾配差αと脈動周期Ｔ^＊とがともに大きい実験例において、脈動による流体の再層流化が発生している。
そして、図９及び図１０に示すように、脈動により再層流化が発生した実験例では、再層流化が発生していない実験例に比べて、動力低減率［Ｒ_Ｗ］_Ｔ、摩擦抵抗低減率［Ｒ_Ｄ］_Ｔともに大きな値が得られた。
従って、圧力勾配差α及び脈動周期Ｔ^＊を一定以上の値に大きくすることにより、流体の再層流化が可能であると考えられる。

なお、上述のシミュレーションでは、一周期平均の圧力勾配ＤＰＤＸ_ａｖｅ、及び、加速期間と減速期間の比Ｔａ／Ｔｂを常に１としてシミュレーションを行っている。また、加速期間Ｔａと減速期間Ｔａとの流体の駆動圧力の波形特性は、図２に示すような形状でシミュレーションを行っている。
ＤＰＤＸ_ａｖｅやＴａ／Ｔｂを変更することにより、また、駆動圧力の波形特性を変えることにより、流体を再層流化するための圧力勾配差αと脈動周期Ｔ^＊の適正値は、上記のシミュレーション結果とは異なる場合があると予測される。しかし、その場合にも圧力勾配差αと脈動周期Ｔ^＊を適宜変更することにより、流体の再層流化が可能となる。

次に、実際に実験用の装置を作製して動力低減率及び摩擦抵抗低減率を測定した。
実験で使用した装置の循環管路の概略構成を示す上面図を図１１にしめす。この装置は、循環管路２０、ポンプ（Pump）２１、圧力計（Pressure Tap）２２Ａ，２２Ｂ、流量計（Flow meter）２４とを備える。
循環管路２０は、管の内径が２０ｍｍである。また、管路の直線部分において、圧力計２２Ａと圧力計２２Ｂとの間を試験区間（Test section）２３とした。
また、装置内を流れる流体は水である。水は、空気孔（Air vent）２５から管路内の空気を抜きながら給水孔（Water supply）２６から装置内に供給した。

ポンプ２１を駆動することにより、図面に矢印で示す方向に水を流して、管路内を循環させた。また、ポンプ２１の駆動は、図２に示す波形特性と同様に、一周期平均の圧力勾配ＤＰＤＸ_ａｖｅ、及び、加速期間と減速期間の比Ｔａ／Ｔｂを１とし、脈動周期Ｔ^＊を３〜１０ｓとして駆動した。

そして、図１１に示す循環管路の圧力計２２Ａと圧力計２２Ｂとの間の試験区間２３を２０００ｍｍとして、試験区間前後での圧力差（ΔＰ）を測定した。また、流量計２４により、管路内を流れる流体の流量（ｕ_ｍ）を測定した。
圧力差（ΔＰ）及び流量（ｕ_ｍ）は、０．１ｓごとに測定した。

実験により測定した圧力差（ΔＰ）及び流量（ｕ_ｍ）の結果を上述の式（８）及び式（９）に導入して、摩擦抵抗低減率と動力低減率を求めた。実験の結果、上記式（９）から求められる壁面摩擦係数Ｃｆの摩擦抵抗低減率［Ｒ_Ｄ］_Ｔは、３４％であった。また、上記式（８）から求められる仕事率Ｗの動力低減率［Ｒ_Ｗ］_Ｔは、２６％であった。
この結果から、実験では装置と条件の最適化が充分ではないため、上述のシミュレーションで示した再層流化程の効果を得ることができていないが、流体を脈動させることにより管路と流体との壁面摩擦抵抗が少ない状態を作り出すことができ、少ないエネルギーで流体を移送することができた。

上述した本発明は、石油や天然ガスのパイプライン輸送に代表される管内流れにおいてエネルギー消費量のほとんどを占めている乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失を抑制し、省エネルギーに寄与することができる。
例えば、従来のパイプライン輸送においては、流体の駆動源であるポンプ等を更新することにより本発明を適用することができる。

また、本発明は上述の石油や天然ガスのパイプライン輸送に限らず、水道管や都市ガス管などの管内流れにも同様に適用することができる。
また、地球温暖化ガスを削減するための対策として、ＣＯ_２を分離回収したのち地中に貯留することが計画され、このＣＯ_２の輸送にもパイプラインの使用が予想される。このようなＣＯ_２輸送のパイプラインにも本発明を適用することができる。
さらに、脈動流れは産業界において、例えば、燃焼系エンジンの吸気系、熱交換器、排水管、ターボ機械、油空圧機器等いろいろな分野で存在するが、これらの脈動流れに対しても、本発明を適用することにより流動抵抗を減少させて、機器効率を高くすることができる。

本発明は、上述の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。

Claims (7)

1. 管路と、
   前記管路内を流れる流体の速度を変化させて前記流体に脈動を発生させる手段と、を備え、
   前記脈動を発生させる手段が、
   前記管路内に設けられている前記管路内の前記流体を加圧して速度を変化させる加圧手段と、
   前記加圧手段を駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段を制御して、前記流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、前記流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御することによって乱流状態の前記流体を層流化させる制御手段と、を有する
   ことを特徴とする流体移送装置。
2. 前記脈動を発生させる手段は、前記流体の速度を減速するときに前記流体からエネルギーを回収することを特徴とする請求項１に記載の流体移送装置。
3. 前記駆動手段に接続された蓄電手段を備えることを特徴とする請求項２に記載の流体移送装置。
4. 前記流体の速度を減速するときに、前記蓄電手段に前記流体からエネルギーを回収することを特徴とする請求項３に記載の流体移送装置。
5. 管路内を流れる流体を加圧することにより、前記流体の流速の加速と減速とを繰り返し、前記流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、前記流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御して前記流体を脈動させ、乱流状態の前記流体を層流化して移送することを特徴とする流体移送方法。
6. 前記流体を減速するときに前記流体からエネルギーを回収することを特徴とする請求項５に記載の流体移送方法。
7. 前記流体を減速するときに、前記管路内に設けた加圧手段と駆動手段とにより発電し、前記駆動手段と接続した蓄電手段に蓄電することを特徴とする請求項６に記載の流体移送方法。

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