JP5567796B2 - 流体噴射装置 - Google Patents

Description

本発明は、フリップフロップ流を発生させるネットワーク流路を利用した流体噴射装置に関する。

流体機器や燃焼装置などの各種工業用機器においては、機器性能の効率を向上させるため、噴流拡散の促進を行う場合がある。

例えば、噴流の能動的制御に関して、特許文献１に示されるように、フラップ型マイクロ電磁アクチュエータを用いて噴流拡散を促進させた装置がある。その他に、受動及び能動的制御に関係したものとしては、非特許文献１に示されるように、柔らかいフィンを持つ円管から流出する噴流特性について研究されたものや、特許文献２に示されるように、自励振動を用いた流体噴射装置も見られる。

特許文献２では、方向切換用装置を用いることなく、複数の交差流路によって、一定周期で複数条の流体の噴出方向が同調して一斉に流れの方向が切り換わり、交差流れを生じる装置が開示されている（以下、この様な流体の交差流れをフリップフロップ流という）。

特開２００８−１００１３１号公報 特開平８−３０９２４９号公報

「種々の長さの柔らかいフィンをもつ円管から流出する噴流の流動特性」；中島正弘他３名；可視化情報学会論文集，Ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１２，ｐ．１０５−１１２，２００７

特許文献２に開示の流体噴射装置では、装置から噴射される個々の流脈が整然と振動するのみとなっているため、噴流拡散・攪拌等に適用した場合の効果がさほど期待できなかった。

本発明は、上記事項に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、流出部から噴射される個々の噴流の流れに変化をつけることによって、噴流拡散・攪拌効果を高めることが可能な流体噴射装置を提供することにある。

本発明に係る流体噴射装置は、流入部と流出部を有し、両天板と両側壁で囲われた管内に複数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じさせるネットワーク流路が形成された流体噴射装置であって、前記側壁の前記分流壁体が近接する位置に凹部が形成され、前記凹部は、平面視半円形状であり、前記凹部の内部に旋回渦を生じさせるためのものである、ことを特徴とする。

また、前記凹部は、前記流入部から４列目以降に配置された前記分流壁体が近接する位置に形成されていることが好ましい。

また、それぞれの前記側壁に前記凹部が対向して形成されていることが好ましい。

本発明に係る流体噴射装置は、側壁に凹部が形成されており、ネットワーク流路内に流体を流すと、この凹部にて旋回渦が発生する。そして、この旋回渦によって凹部内の圧力が下がり、圧力の低下による吸引作用によって凹部に隣接した流路を流れる流体が引き寄せられる。この結果ネットワーク流路内で発現するフリップフロップ流の変化が強まり、流出部から噴射される個々の噴流の流れに変化を生じさせることができる。

本発明の実施の形態に係る流体噴射装置の部分透視斜視図である。 図１の流体噴射装置のＸ−Ｘ’の断面図である。 （Ａ）、（Ｂ）は流出部からの流体の噴射方向を示す部分断面図である。 実施例に用いた実験装置の概略構成を示す平面図（Ａ）、及び、側面図（Ｂ）である。 流体噴射装置の流出部から流出される水の様子を示す平面写真である。 流体噴射装置の流出部から流出される水の様子を示す平面写真（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）及び側面写真（Ｄ）である。 流体噴射装置の凹部における渦の様子を示す平面写真（Ａ）、（Ｂ）である。 流体噴射装置の流出部から流出された空気の水平断面における平均等流速分布図（Ａ）、平均等渦度分布図（Ｂ）、流れ方向（ｘ軸方向）の平均流速Ｕに関しての等ｄＵ／ｄｘの分布図（Ｃ）、流れの横断方向（ｙ軸方向）の平均流速Ｖに関しての等ｄＶ／ｄｙの分布図（Ｄ）である。 流体噴射装置の流出部から流出された空気の水平断面における平均等流速分布図（Ａ）、平均等渦度分布図（Ｂ）、流れ方向（ｘ軸方向）の平均流速Ｕに関しての等ｄＵ／ｄｘの分布図（Ｃ）、流れの横断方向（ｙ軸方向）の平均流速Ｖに関しての等ｄＶ／ｄｙの分布図（Ｄ）である。

本実施の形態に係る流体噴射装置１は、図１の部分透視斜視図、及び、図２の断面図に示すように、天板１１ａ、１１ｂと側壁１２ａ、１２ｂで囲まれた管内に配置された複数の分流壁体１３と、複数の分流壁体１３を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路が同一平面上で交差したネットワーク流路１４と、側壁１２ａ、１２ｂに形成された凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと、流入部１６と、流出部１７とから構成される。

２つの天板１１ａ、１１ｂは、それぞれ同一寸法の矩形の平板であり、対向配置された２つの側壁１２ａ、１２ｂによって接続されており、それらによって流入部１６及び流出部１７を有する管が形成される。

この管内には、菱形角柱状の分流壁体１３が同一面上に千鳥格子状に計３９個配置されている。分流壁体１３は、流入部１６から流出部１７にかけて６列設けられており、流入部１６から１列目、３列目、５列目ではそれぞれ６つ、２列目、４列目、６列目ではそれぞれ７つ、一定の間隔を空けて直線上に配置されている。流入部１６から６列目の分流壁体１３の流出部１７側は、流体の流出を妨げないよう切除されている。それぞれの分流壁体１３の上端及び下端は天板１１ａ、１１ｂに当接しているため、一群の平行流路と他の一群の平行流路が同一面上で交差するネットワーク流路１４が形成される。

流入部１６から流入した流体はネットワーク流路１４内を通り、分流壁体１３により分流・合流を繰り返し流出部１７から排出される。一定の流速を越えるとフリップフロップ流が生じる。

そして、図３（Ａ）、図３（Ｂ）中の矢印にて示すように、周期的に流出方向が切り換わりつつ、流出部１７から流体が排出される。

ここで、フリップフロップ流について説明する。ネットワーク流路１４内での流体の流れにより、分流壁体１３後方側面で剥離渦が生じる。一方の後方側面で剥離渦が生じると、圧力変化を生じ、他方の後方側面でも剥離渦が生じる。分流壁体１３の両後方側面では交互に剥離渦が生じ、それぞれの分流壁体１３後方側面まわりでカルマン渦列振動が生じる。ネットワーク流路１４は交差しているため、分流壁体１３後方側面まわりではそれらの剥離渦が合体するがごとくに振動し（渦の連結振動）、主流の交差流れの方向が変化する。ネットワーク流路１４の交差角が２０〜６０度のとき、上・下流側の二列分の分流壁体１３まわりに発生するカルマン渦列振動が同調し、流脈への付着現象であるコアンダ効果の発現とともに、フリップフロップ流と呼ばれる交差流れが生じるものと推測される。

そして、それぞれの側壁１２ａ、１２ｂには、流入部１６から４列目に配置されている分流壁体１３が近接する位置に凹部１５ａ、１５ｃが、また、流入部１６から６列目に配置されている分流壁体１３が近接する位置に凹部１５ｂ、１５ｄがそれぞれ形成されている。

ネットワーク流路１４内に流体を流すと、この凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄでは旋回渦が発現し、これに伴って凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄでの圧力が下がる。この圧力低下による吸引作用によって、隣接する噴流が強く引き寄せられる。この凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ内における旋回渦による吸引作用により、フリップフロップ流の交差流れの変化がより大きくなる結果、凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄが形成されていない場合に比べ、流出部１７から噴射される個々の噴流に変化を生じさせることができる。

凹部１５ａ、１５ｃは、流入部１６から４列目以降にある分流壁体１３が隣接する位置に形成されることが好ましい。流入部１６から４列目の分流壁体１３を起点としてフリップフロップ流が発現するためである。

また、凹部１５ａ、１５ｃ、また、凹部１５ｂ、１５ｄは、それぞれ対向して双方の側壁１２ａ、１２ｂに配置される。

また、凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄの形状について、本実施の形態では矩形に形成されているが、凹部１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ内の圧力が低下し、フリップフロップ流の交差流れの変化がより大きくなる限り、特に限定されず、半円形状等、種々の形態であってもよい。

なお、流入部１６と流出部１７の間に、分流壁体１３を４列以上設けることが好ましい。分流壁体１３が２列ではフリップフロップ流が発現せず、いずれかの側壁１２ａ、１２ｂ側に流脈が片寄ったままの流れになる。３列以上になると流脈のフリップフロップ流が現れる場合もあるが不安定であり、４列以上ではフリップフロップ流が明確に現れる。

なお、合流・分流分岐流路断面（列方向に配置された分流壁体１３同士が近接する流路断面）は正方形であることが好ましい。合流・分流分岐流路断面が正方形の場合には安定してフリップフロップ流が生じるが、長方形のような縦横比が大きい場合にはフリップフロップ流の発現が不安定となる。

また、ネットワーク流路１４の長さ、断面積、間隔等について特に制限はなく、流体噴射装置１の使用目的に応じて適宜選択すればよい。

また、本実施の形態において、菱形角柱状の分流壁体１３を用いているが、これに限定されるものではなく、フリップフロップ流が発現する限り、円柱等、他の形態であってもよい。

また、流体として、種々の液体や気体を用いることができる。

このように、流体噴射装置１は、流出部１７から噴射される個々の噴流に変化が生じるので、液体や気体等の混合、攪拌、拡散、伝熱、洗浄等に関する装置等に応用することが可能である。また、機械的可動部がないので、動力源を必要とする流体等の混合・拡散装置等に比して簡素な構成を実現している。

図１及び図２に示す流体噴射装置（以下、流体噴射装置Ａ１と記す）を作製し、フリップフロップ流の変化について検証した。

作製した流体噴射装置Ａ１の寸法等は以下の通りである。流体噴射装置Ａ１の流入部１６から流出部１７までが１１２ｍｍ、側壁１２ａと側壁１２ｂとの間隔は８０ｍｍである。分流壁体１３は、対称軸の一方の長さが１８．７ｍｍ、他方の長さが５ｍｍ、高さが５ｍｍの菱形角柱である。流入部１６から１列目、３列目、５列目に配置された分流壁体１３は、それぞれ直線上に６個、流入部１６から２列目、４列目、６列目に配置された分流壁体１３は、それぞれ直線上に７個、５ｍｍ間隔を開けて配置されている。

流体噴射装置Ａ１を用い、図４（Ａ）の平面図、図４（Ｂ）の側面図に示すように実験装置を構成した。流入部１６に流入させる水の流速を一定にするために助走管路２１を取り付け、ポンプ２２から助走管路２１を通じて流体噴射装置Ａ１の流入部１６に水を流入し、フリップフロップ流を発現させた。

また、参考例として、凹部を設けなかった以外、全て上記の流体噴射装置Ａ１と同寸法の流体噴射装置（以下、流体噴射装置Ｂ１と記す）を作製して、同様に水を流入し、フリップフロップ流を発現させた。

そして、それぞれの流体噴射装置Ａ１、Ｂ１の流出部から噴射される水の様子を撮影した。図５は、流体噴射装置Ｂ１の流出部から噴射された水の様子を示す平面写真である。また、図６（Ａ）〜（Ｃ）は、流体噴射装置Ａ１の流出部から噴射された水の様子を示す平面写真、図６（Ｄ）は、側面写真である。

側壁に凹部が形成されていない流体噴射装置Ｂ１では、図５に示すように、流脈が左右に振動するとともに、流れの捻りを伴って横断方向の中央部に集まるような形状になっていることが観察された。

一方、側壁に凹部が形成されている流体噴射装置Ａ１では、図６（Ａ）〜（Ｄ）に示すように、流脈の分布が流体噴射装置Ｂ１に比べて、大きく異なっている。図６（Ａ）では、ｙ軸方向の両端付近の流脈がはっきりと分かれる場合が見られ、中央部付近では、個々の噴流の水しぶきが分散され、飛び散ったような形の流脈の広がりが見られる。また、図６（Ｂ）、（Ｃ）では、中央部付近やｙ軸方向の両端付近に流脈分布の切れ目も見られる。その他、図６（Ｄ）の側面から撮影した図では、流脈のｘ軸方向へのねじりも大きくなっていることがわかる。

このように、流体噴射装置Ａ１では、フリップフロップ流の振動とともに、側壁に形成された凹部の作用によって、流体噴射装置Ｂ１よりも左右への噴流の分散が大きく現れており、噴流のねじりと乱れが大きくなっていると考えられる。

続いて、流体噴射装置Ａ１の流入部から、粒径２００〜３５０μｍ程度のハイポーラス・ポリマー粒子を混入した水を流入して、凹部付近の流跡を上面から撮影した。

撮影した一部の写真を図７（Ａ）、（Ｂ）に示す。図７（Ａ）、（Ｂ）には、それぞれの凹部付近の流跡が示され、噴流方向も流跡から確認でき、分流壁体の剥離領域やリアエッジ付近に渦の形成が見られる。また、図７（Ｂ）における凹部では、写真ではやや不鮮明ながら旋回渦が見られ、この旋回渦よって凹部での圧力が下がり、ネットワーク流路の交差部における吸引作用が凹部にも発生し、凹部に隣接する噴流が凹部寄りに引きつけられていることが考えられる。

このように凹部での吸引作用の発生により、流出噴流の流れの変化をつけることができ、流出噴流場の分散や乱れが大きくなった流れの変化も生じさせることができていると考えられる。

続いて、上記の装置にて、水の代わりに空気を流入して流出部から噴射される空気について、以下の検証を行った。流体噴射装置Ａ１、Ｂ１の流入部から送風機で空気を流入し、側壁に形成された凹部の有無による流出噴流の流れの変化を計測した。

図８に、凹部が形成された流体噴射装置Ａ１の流出部から流出された空気の水平断面における平均等流速分布図（図８（Ａ））、平均等渦度分布図（図８（Ｂ））、流れ方向（ｘ軸方向）の平均流速Ｕに関しての等ｄＵ／ｄｘの分布図（図８（Ｃ））、流れの横断方向（ｙ軸方向）の平均流速Ｖに関しての等ｄＶ／ｄｙの分布図（図８（Ｄ））を示す。

また、図９に、凹部が形成されていない流体噴射装置Ｂ１の流出部から流出された空気の水平断面における平均等流速分布図（図９（Ａ））、平均等渦度分布図（図９（Ｂ））、流れ方向（ｘ軸方向）の平均流速Ｕに関しての等ｄＵ／ｄｘの分布図（図９（Ｃ））、流れの横断方向（ｙ軸方向）の平均流速Ｖに関しての等ｄＶ／ｄｙの分布図（図９（Ｄ））を示す。

まず、図８（Ａ）、（Ｂ）と図９（Ａ）、（Ｂ）に示す水平断面での結果においては、凹部の有無に関係なく、フリップフロップ流の発現によって流出噴流場の中央縦断線（ｙ＝０）を軸として大凡対称な流れを示している。

しかし、凹部の有無によって、以下のように流れが大きく異なることが明らかとなっている。すなわち、凹部が形成されていない流体噴射装置Ｂ１では、ｙ軸方向の位置での流速差や渦度値の違いは小さくなっているのに対して、流体噴射装置Ａ１では、中央部の流速に比べてｙ軸方向に向かうほど流速が早くなり、それに伴って渦度もｙ軸方向に正負の値が現れ、流れの回転性がはっきりと見られるのが明らかとなっている。

また、流体噴射装置Ａ１では、流れに向かった縦断方向での流速値の減衰が大きく、流速勾配が大きくなった流れの形となっている。そのことにも関係し、ｄＵ／ｄｘやｄＶ／ｄｙによって示されている流れ方向（ｘ軸方向）及びその横断方向（ｙ軸方向）での流速の変化率の結果を見てみると、流体噴射装置Ｂ１に比して流体噴射装置Ａ１の流速の変化率の値が大きくなっている。

特に、流体噴射装置Ａ１でのｄＶ／ｄｙで示される流れの横断方向での流速の変化については、同じ箇所で比較をすると、上流側（流出部付近）では、流体噴射装置Ａ１は流体噴射装置Ｂ１よりも３倍以上、またｘ＝６０ｍｍ付近の中央部でも２倍程度も大きくなっている。

これらの結果からも、側壁に凹部が形成されている場合の流れの変化が大きくなっていることが理解できる。

以上の実験結果から、水を流入させた場合に関しては、流体噴射装置の側壁に設けた凹部内には、旋回渦による吸引作用が発生し、その流出噴流流脈では、フリップフロップ流れの振動とともに、流出部から流出する噴流は、側壁側への分散が大きく現れ、噴流のねじりと乱れが大きくなっている。

また、空気噴流に関しては、凹部が形成された場合の方が流れの変化が大きいこと、渦度値の変化も大きくなっていること、及び扁平な流れの回転を示していることがわかる。

このように流体として水及び空気を通じた結果から、凹部が形成された場合の分流壁体を介するネットワーク流路からの流出噴流場における流れの変化が大きく現れることを示すことができ、さらに個々の噴流の乱れ及び分散等を大きくすることができることを立証した。

これらの結果を混合・撹拌や洗浄などに関係する流体工学機器、例えばマナーブースなどによる花粉の飛散等を抑制する機器等へ応用することによって、効果的な機器の開発につながる。

また、化粧品・食品加工ライン、樹脂・溶剤混合ライン、塗料加工ライン、農業用灌水ライン、風呂用炭酸ガス混合装置、廃油・排水のエマルジョン化装置、水に気泡と洗剤を溶解した水洗トイレ等のあらゆる流体の混合作業が必要な箇所での応用も期待される。

１ 流体噴射装置
Ａ１ 流体噴射装置
Ｂ１ 流体噴射装置
１１ａ 天板
１１ｂ 天板
１２ａ 側壁
１２ｂ 側壁
１３ 分流壁体
１４ ネットワーク流路
１５ａ 凹部
１５ｂ 凹部
１５ｃ 凹部
１５ｄ 凹部
１６ 流入部
１７ 流出部
２１ 助走管路
２２ ポンプ

Claims (3)

1. 流入部と流出部を有し、両天板と両側壁で囲われた管内に複数の分流壁体を介して一群の平行流路と他の一群の平行流路を同一面上で合流・分流させてフリップフロップ流を生じさせるネットワーク流路が形成された流体噴射装置であって、
   前記側壁の前記分流壁体が近接する位置に凹部が形成され、
   前記凹部は、平面視半円形状であり、前記凹部の内部に旋回渦を生じさせるためのものである、ことを特徴とする流体噴射装置。
2. 前記凹部は、前記流入部から４列目以降に配置された前記分流壁体が近接する位置に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の流体噴射装置。
3. それぞれの前記側壁に前記凹部が対向して形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流体噴射装置。