JP5300211B2 - 管内流制御方法、管路要素、流体機器および流体機器システム - Google Patents
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たとえば特許文献1で示されたスイング逆止弁は、弁全開時に弁体の背後に剥離渦が生じないよう、弁体の後方の流路の形状を工夫することで圧力損失を低減できるとされている。
技術資料 管路・ダクトの流体抵抗(日本機械学会編、丸善)
まず、放電プラズマを利用した気流発生装置について説明する。図1は気流発生装置1の一例を示したものである。気流発生装置1は、誘電体2内に埋設された第1の電極3と、この電極3と誘電体2の表面からの距離を同じにし、かつ誘電体2の表面と水平な方向にずらして離間され、誘電体2内に埋設された第2の電極4と、ケーブル5を介して電極3、4間に電圧を印加する放電用電源6とから構成されている。
(ア)助走区間
広い空間から、十分に丸めてベルマウス状にしたノズルを通って管路に入るときの速度分布は、入口付近の速度分布はほぼ一様で、境界層は非常に薄い。下流に進むに従って境界層の厚みが増して行く。この助走区間においては管壁付近の速度勾配が大きいために摩擦応力が大きくなり大きな圧力損失が生じる。
直管における発達した流れにおいては、一般に層流のほうが乱流よりも管摩擦係数が大きくなる。そこで、特に流量の変化する場合において、本発明の管内流制御方法が有効になる。すなわち、図10のように管路の流れ方向に一様に配置した気流発生装置1に対して、流量が低下して層流域となり管摩擦係数が大きいときには、電極9に電圧を印加して内部流体16の一部をプラズマ化させることにより流れに乱れをあたえて乱流に近い状態にし損失を低下させる。流量が増大して乱流となり、管摩擦係数が低下したときには電圧を停止する。
(ウ)通常の流路
入口損失はほとんどが管入口の形状で決まり、特にかどの丸みが最も影響が大きいことが知られている。かどが鋭い場合、流れは図11のように入口で一旦収縮してから管内に広がるので損失が増加する。図11に点群で示した部分は剥離泡20とよばれ、その内部は渦層であり、損失の原因となる。
入口にオリフィスがある場合、オリフィス下流側に渦ができて損失が非常に大きくなる。そこで、プラズマによって、たとえば図13のように誘起気流7を発生すると、損失を低減することができる。
以上の損失は、レイノズル数Reが小さくなると増加する傾向にある。たとえば図12のような角のするどい入口管路ではレイノルズ数が極めて大きい時に比べて、Re<2000の層流の時では損失係数が約2倍になる。そこで、流量が変化する場合には、その変化に応じて電源を制御してプラズマを作用させるようにすれば、損失の平準化により、流体駆動動力の平準化が可能になる。
(カ)拡大管
損失係数は流路の拡大比によって決まる。図14のようにオリフィスのある管路入口と同様に、拡大によって生じる渦22によって損失が発生するので、図15のように渦を減じるために、プラズマ気流を誘起すれば、渦の領域を小さくすることができ、損失を低減することができる。また、渦の領域を小さくすることが困難な場合には上記と逆向きの気流を誘起することで、渦と壁面の摩擦抵抗を減ずることにより、損失を低減することが可能である。また、断面内の速度分布が一様でないとき、特に大小両管の軸芯が偏心していて下流側で大きな偏流を生じたときには損失が低減することが知られている。この現象は、管の形状や偏心の度合いがある特定の条件の時のみおこると思われるが、拡大する流れがより滑らかに流れることによって損失が低減していると考えられる。そこで、管路の条件によっては、プラズマによって流れに偏流を生じるように、たとえば流路の片側のみに誘起気流を作用させるようにすれば、流れをより滑らかに境界層や渦の領域が小さくなるように流すことで損失を低減させることもできる。
縮小管では管路入口と同様に図16のように流れが一旦収縮してから管内に広がる場合に剥離泡20により損失が増加する。プラズマによって、たとえば図17のように誘起気流を発生すると境界層を薄くしたり、渦の領域を小さくすることができ、損失を低減することができる。また、これと逆向きに気流を発生することにより、渦と壁面の摩擦係数を低減して損失を低減することもできる。
穴を通る場合は、急拡大と急縮小の両方の損失を連続して受けることになるので、それ
らによる損失を低減するように、穴部または穴後方の管壁付近にプラズマ気流を誘起するのが望ましい。
(ケ)円錐型ディフューザ(拡大管)
ディフューザは流速を減じて圧力を増すために用いられるので、圧力係数Cpが性能指標として用いられる。圧力係数と損失の関係は、圧力係数が上昇すると損失が低減されるという関係にある。つまり圧力係数を大きくするように改良すれば損失が低減できる。
ディフューザでは、広がり角が大きくなると壁面近傍の流れが減速し、さらに大きくな
ると逆流して壁からはがれる。このはがれの状態は、開き角、管長、入口高さ、流速(レイノルズ数)等に応じて異なり、そのはがれの度合いは、剥離のない流れ、出口付近の壁の一部に断続的に剥離が生じる流れ、壁面のどこかで必ず剥離が生じ剥離点は絶えず変動している流れ、入口付近で剥離が生ずる流れ、両方の面からはがれて噴流となる流れというように進展することがわかっている。
設置空間を有効に利用したい場合に、円断面から角ダクトへ拡大する場合がある。この場合、同じ長さ同じ面積比の円錐ディフューザに比べ圧力係数Cpが低下する。これは、角ダクト隅角部付近に生成する渦によるものと考えられる。
面積比が大きく長さの短いディフューザでは、圧力係数Cpが低下する。この場合、面積比が小さいディフューザの後ろで急拡大させるほうがCpが増加する場合がある。
一般に、内面が粗いと管路の抵抗係数が大きくなるが、流れの剥離点近傍では突起によって渦が発生し、性能が向上する例がある。表面粗さと損失係数の関係において、広がり角が小さい時は荒さによって損失が増加するが、広がり角が大きい場合はかえってよくなる。これは、剥離点の存在する場合は、剥離点近傍に渦が発生すると、損失が低下するものと解釈できる。
広がり角の大きいディフューザを使用する場合には、吸い込みや噴出しによって境界層を制御して剥離を防止する手段がある。吸い込みの効果は境界層を薄くしていることにほかならないので、同様の効果をプラズマ気流によって与えれば効率を向上させることができる。
細まり管の損失はほとんど摩擦損失のみである。そこで管摩擦を低減するためにプラズマ気流をつかう。図26のようにノズルの壁面にプラズマ気流を生成させ、摩擦係数を低減させることが有効である。
重ね継ぎ手管は滑らかな管に比べて損失が増大する。壁面の段差部分の渦発生を抑制するようにプラズマ気流を利用すると、段差部分での損失を低減できる。本発明の方法は、壁面の非常に薄いところに噴流を生成することができるので、図29のように、継ぎ手管のわずかな段差27に設置することで損失の低減が可能である。
(タ)仕切り弁
図30のような仕切り弁において、損失は、弁の開きLと弁座口径dの比によって変化する。半開時の損失は、図31(A)のように弁の後方の渦によるので、たとえば(B)のように気流発生装置1を設置してこの渦をできるだけ少なくするか、(C)のように気流発生装置1を設置して渦と壁面の摩擦を低減するようにプラズマ気流を発生することで損失を低減することが可能である。
玉型弁の場合、弁体半開時の弁体付近や弁座付近に生じる渦により損失が生じる。そこで、弁体や弁座や、その他渦の生じる部分の管壁に気流発生装置を備えることにより、損失を低減することができる。
図33(A)に示すようなちょう型の場合、全開のときでも配管内部に弁板が残るため、弁板が流れに対する抵抗となり損失が生じる。そこで、たとえば図33(B)におけるように弁板28上に気流発生装置1をもうけて、弁板表面での摩擦抵抗を低減したり、弁板が厚い場合は、その後流にできる渦を打消したりすることで損失を低減することができる。また、ダンパについても形状が類似しているため同様の効果が期待できる。
図34(A)に示すようなコックやボール弁の場合、全開のときは損失が少ないが、半開のときは、同図に示すように弁体や弁座や配管等の各所で渦が生じて損失が発生する。そこで、たとえば図34(B)に示すようにうに弁体29や弁座30や、その他渦の生じる部分の管壁に気流発生装置1を備えることにより、損失を低減することができる。
曲がり管では、中心軸上の粒子が壁面付近の粒子よりも慣性力を多く受けるため図35(A)のような対称な2次流れ32を生じるため、直管に比べて損失が大きくなる。
円形断面の螺旋管の管摩擦係数に対する慣性力の影響は、特に層流の時に顕著になる。そこで、層流の場合に2次流れに対する管摩擦係数を低減するようにプラズマ気流を作用させる制御方法が有効である。
ピッチが大きくなると、管内の速度分布にピッチの影響が現れ、2次流れの対称性が失われる。そこで、それぞれの2次流れに対して気流を発生させ、それぞれの気流強さを2次流れの非対称性に応じて最適化することで損失を低下することができる。
縦横比の特に大きい長方形断面の2次元曲がり管では、2次流れは流路の上下壁面近傍に限定され、中央部では2次元流れとなる。そこで、たとえば上下壁面近傍の2次流れの摩擦を低減するようにプラズマ気流を発生することで、損失を低減することができる。
半径比の小さいベンドでは、2次流れのみではなく、内壁や外壁からの流れの剥離も発生する。このかく乱はベンド直後に直管があった場合、その直管内深くまで保持され、かく乱が消滅して直管流れ同様の流れに回復するには50d(dは直管の内径)ほどを要する。そこで、たとえばベンドの内壁や外壁の剥離を抑える場所にプラズマ気流を発生したり、ベンド後ろの直管内の、特に損失の大きい20〜30dの間の管摩擦抵抗を減らすようにプラズマをつけるとよい。
直管をつぎあわせた形のエルボにおいて、損失係数は、レイノルズ数の増加とともにいったん低減して極小値をとり、ふたたび増加して、乱流域になると一定になることが知られている。そこで、管内流速が変化するような場合には、このレイノルズ数の変化に対応して、損失係数が大きくなる領域でプラズマ気流を作動させる制御方法が有効である。
ベンドの半径比が2より小さい場合、損失係数が急激に増大することが知られている。このような場合、図39のように案内羽根34を設けると損失係数が低減する。案内羽根の位置は、案内羽根によって区切られた部分通路の半径比がたがいに同一になる位置が最適である。
ねじこみ式エルボでは、ねじこんだ部分の内面に流路断面積の拡大または縮小、段差、粗い表面等が存在するため、損失係数が上昇してしまう。このエルボは配管を組み立てて簡単に自由な形状をつくれるメリットを生かすために使われるので、配管の段差部分の平滑化等、配管に対する後処理等はおこなわれないことが通常である。
図42に示すような曲がりディフューザでは、入口内径d1に対する入口境界層の厚さδが小さいほど損失が小さくなる。
分岐管・合流管・分配管・集合管においては、流路方向の変化を生じる部分で剥離や渦を生じ損失が発生する。そこで、そのような部分付近に気流発生装置を設置することで、剥離や渦を抑制したり境界層厚さを薄くしたりして損失を低減することができる。
Y字管では、分岐・合流部分の角部の丸みの半径によって、損失が大きく変化することが知られている。そこで、当該角部の付近に気流発生装置を設置して、管内壁表面にプラズマ気流を誘起し、その流速を増減させることで、Y字管の損失を任意に制御することが可能となる。
T字分岐管では、直角に曲がる方向への管路の内側角部にできる渦・剥離泡が、その方向に流れる流れの圧力損失に大きく寄与している。そこで、この渦・剥離泡を小さくするように気流を発生させることで、損失を低減することができる。
管路出口に広がり管をつけると、出口部での損失が低減することが知られている。しかし、広がり角度が大きすぎると、拡大部でのながれの剥離が生じ、広がり管をつけたメリットが出なくなる。そこで、上述したディフューザと同様に、流れの剥離を減じるようにプラズマを生成すれば、損失を低減することができる。管路出口にオリフィスをつけたときは、オリフィスの径が小さいほど損失は大きくなることが知られており、このときも上述したオリフィスのある管路入口と同様にプラズマにより損失を低減することができる。
管路要素が連続して配置される場合、それらの損失に干渉が生じ、干渉は単なる足し算にはならず、実際の流れの特性は流体を通流して見ないとわからない場合が多い。そこで、たとえば内面に気流発生装置を備えた単管を準備しておき、様々な管路要素を接続する場合に、間にこの単管を挿入する。そして接続された管路要素同士の特性が最適になるように単管内の流れを制御することが可能である。
Claims (8)
- 流体が通流する第1の通路を有する第1の管路と、
前記第1の通路に接続される接続部を備え、前記第1の通路を通流した流体が通流し、前記第1の通路よりも縮径した第2の通路を備える第2の管路と、
前記第1及び第2の通路の境界部の下流側における前記第2の管路内部または前記第2の管路表面に設けられた1以上の一対の電極と、前記1以上の一対の電極間に電圧を印加する電源とを設けて、前記1以上の一対の電極付近にプラズマを発生させることによって前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させる気流発生手段と
を備えることを特徴とする管路要素。 - 流体が通流する第1の通路を有する第1の管路と、
前記第1の通路に接続される接続部を備え、前記第1の通路を通流した流体が通流し、前記第1の通路よりも大径の第2の通路を備える第2の管路と、
前記第1及び第2の通路の境界部の下流側における前記第2の管路内部または前記第2の管路表面に設けられた1以上の一対の電極と、前記一対の電極間に電圧を印加する電源とを設けて、前記1以上の一対の電極付近にプラズマを発生させることによって前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させる気流発生手段と
を備えることを特徴とする管路要素。 - 流体が第1の方向で通流する第1の通路を有する第1の管路と、
前記第1の通路を通流した流体が第1の方向と異なる第2の方向で通流し、前記第1の通路と同径の第2の通路を備え、前記第1の管路と接続される第2の管路と、
前記第1の通路と第2の通路とを接続する接続部と、
前記第1及び第2の通路の境界部の下流側における前記接続部内部または前記接続部表面に設けられた1以上の一対の電極と、前記1以上の一対の電極間に電圧を印加する電源とを設けて、前記1以上の一対の電極付近にプラズマを発生させることによって前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させる気流発生手段と
を備えることを特徴とする管路要素。 - 前記請求項1ないし3のいずれか1項に記載の管路要素と連通される連通部を備えることを特徴とする流体機器。
- 前記請求項1ないし3のいずれか1項に記載の管路要素と、
前記管路要素と連通される連通部を備える流体機器と
を備えることを特徴とする流体機器システム。 - 流体が通流する第1の通路を有する第1の管路と、前記第1の通路に接続される接続部を備え、前記第1の通路を通流した流体が通流し、前記第1の通路よりも縮径した第2の通路を備える第2の管路と、前記第1及び第2の通路の境界部の下流側における前記第2の管路内部または前記第2の管路表面に設けられた1以上の一対の電極と、前記1以上の一対の電極間に電圧を印加する電源とを設けて、前記1以上の一対の電極付近にプラズマを発生させることによって前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させる気流発生手段とを備える管路要素における管内流制御方法において、
前記1以上の一対の電極間に電圧を印加するステップと、
前記第1または第2の通路を通流する流体の一部をプラズマ化して、前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させるステップと
を備えることを特徴とする管内流制御方法。 - 流体が通流する第1の通路を有する第1の管路と、前記第1の通路に接続される接続部を備え、前記第1の通路を通流した流体が通流し、前記第1の通路よりも大径の第2の通路を備える第2の管路と、前記第1及び第2の通路の境界部の下流側における前記第2の管路内部または前記第2の管路表面に設けられた1以上の一対の電極と、前記一対の電極間に電圧を印加する電源とを設けて、前記1以上の一対の電極付近にプラズマを発生させることによって前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させる気流発生手段とを備える管路要素における管内流制御方法において、
前記1以上の一対の電極間に電圧を印加するステップと、
前記第1または第2の通路を通流する流体の一部をプラズマ化して、前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させるステップと
を備えることを特徴とする管内流制御方法。 - 流体が第1の方向で通流する第1の通路を有する第1の管路と、前記第1の通路を通流した流体が第1の方向と異なる第2の方向で通流し、前記第1の通路と同径の第2の通路を備え、前記第1の管路と接続される第2の管路と、前記第1の通路と第2の通路とを接続する接続部と、前記第1及び第2の通路の境界部の下流側における前記接続部内部または前記接続部表面に設けられた1以上の一対の電極と、前記1以上の一対の電極間に電圧を印加する電源とを設けて、前記1以上の一対の電極付近にプラズマを発生させることによって前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させる気流発生手段とを備える管路要素における管内流制御方法において、
前記1以上の一対の電極間に電圧を印加するステップと、
前記第1または第2の通路を通流する流体の一部をプラズマ化して、前記第1の通路から第2の通路への気流を発生させるステップと
を備えることを特徴とする管内流制御方法。
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