JP5650058B2 - 流れ場のせん断応力分布計測方法および装置 - Google Patents
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Description
また、流れ場内の流動状態をシミュレーションする手段は、例えば特許文献2〜5に開示されている。
さらに、流れ場内の流動状態を実験的に計測する手段は、例えば特許文献6〜10に開示されている。
例えば、特許文献4に記載されているように、細胞培養装置においては、せん断応力の存在は細胞死滅に関る因子となり、従来の攪拌翼より低いせん断応力かつ高効率での培養が望まれている。一方、高粘度流体用の攪拌装置においては、高いせん断応力により分散能力を向上することが求められる。従って、せん断応力に依存する攪拌動力の決定は、攪拌装置の設計上重要な設計ポイントである。
また、新しい攪拌翼に対しては、上記実験式が適用できないため、新たに試験を行なって実験式を求める必要が生じ、時間と費用がかかる問題点があった。
(B)速度ベクトルから流れ場の平均速度と速度変動を算出し、その結果に基づき、レイノルズ応力と平均速度勾配の全成分を算出し、
(C)レイノルズ応力と平均速度勾配から乱流エネルギーの散逸率を算出し、
(D)散逸率から速度変動に基づくせん断応力を算出する、ことを特徴とする流れ場のせん断応力分布の計測方法が提供される。
速度ベクトルから速度変動に基づくせん断応力を算出する演算装置とを備え、
演算装置により、
速度ベクトルから流れ場の平均速度と速度変動を算出し、その結果に基づき、レイノルズ応力と平均速度勾配の全成分を算出し、
レイノルズ応力と平均速度勾配から乱流エネルギーの散逸率を算出し、
散逸率から速度変動に基づくせん断応力を算出する、ことを特徴とする流れ場のせん断応力分布の計測装置が提供される。
この図において計測装置(流れ場のせん断応力分布計測装置)は、粒子画像速度計測装置10と演算装置20を備える。
なお、本発明はステレオ粒子画像速度計測装置に限定されず、その他の粒子画像速度計測装置であってもよい。
攪拌槽2の内部には、トレーサ粒子5を含む透明な液体6(例えば水)が所定のレベルで収容されている。トレーサ粒子5は、例えば直径1〜10μmの固体粒子であり、密度が液体6と同一又はこれに近似しており、攪拌装置1内の液体6の流れに同伴されて流れ場7の流線に沿って同じ速度で流れるように設定されている。
以下、この例では、計測対象とする流れ場7を攪拌装置1内の液体6の鉛直平面による半断面abcdとし、攪拌翼4の中心を原点O、半断面abcd内の原点Oからの半径方向をx軸、原点Oからの上方向をy軸、x軸とy軸に直交する方向をz軸(図示せず)とする。
すなわち計測対象とする流れ場7、すなわち計測エリアは、半断面abcdである。
レーザシート光13bは、厚さの薄い(例えば1〜2mm)の平面光であり、計測エリアの流れ場7(液体6の鉛直平面による半断面abcd)を照射し、流れ場7内に位置するトレーサ粒子5を照明する。
流れ場7の2次元位置は、上述したx−y座標上の位置(x,y)であり、その3成分はx、y、z軸方向の速度成分(U1,U2,U3)である。以下、添え字1,2,3は、x、y、z軸方向を意味する。
なお、画像処理装置16と演算装置20を同一のコンピュータ(PC)で構成してもよい。
この図において、本発明の計測方法はS1〜S7の各ステップ(工程)からなる。
この速度ベクトルは、流れ場7のx−y座標上の位置(x,y)におけるx、y、z軸方向の速度成分(U1,U2,U3)をもつ。
平均速度のx、y、z軸成分は、速度成分(U1,U2,U3)の所定時間内の平均値であり、後述する式では各速度成分U1,U2,U3の上部に記号「−」を付して示す。
また、速度変動は、速度成分(U1,U2,U3)の平均値からの変動分(偏差)であり、x、y、z軸方向の速度変動をu1,u2,u3で表す。
ここで、i,j,kはそれぞれx、y、z軸方向を意味する1,2,3で与えられる。
また、S4において、流れ場7の平均速度から、式(4)により、平均速度勾配の全成分を算出する。
なお、式(4)では、数4の式(5)の連続の式を用いている。
また、式(4)で斜線で示した計測されない2つ成分は、例えば式(6)と式(7)の近似式を用いて求める。
また、一様等方性乱流では、乱流エネルギーEの散逸率εは式(9)で与えられる。
ここで、νは動粘度(動粘度係数)、∂u1/∂x1は速度変動による垂直応力成分、∂u1/∂x2は速度変動に基づくせん断応力成分である。
また式(3)から、μ∂u1/∂x2の大きさは式(10)で得られる。ここでρは流体密度、μは粘性係数である。
式(10)により速度変動に基づくせん断応力τを求めることができる。
この結果に従って、様々な攪拌翼4による速度変動に基づくせん断応力τの分布計測により、攪拌翼4の性能評価と検証ができるうえ、新しい攪拌翼4の開発指針に関する重要な参考になる。さらに、CFDの結果と比較による予測の精度の向上と検証データとして使用もできる。
5 トレーサ粒子、6 液体、7 流れ場、
10 粒子画像速度計測装置(PIV計測装置)、
12 レーザ照射装置、12a レーザ光源、12b シリンダレンズ、
13a レーザ光、13b レーザシート光、
14 カメラ、14a,14b カメラ、
16 画像処理装置、20 演算装置
Claims (5)
- (A)粒子画像速度計測装置により対象とする流れ場の速度ベクトルを計測し、
(B)速度ベクトルから流れ場の平均速度と速度変動を算出し、その結果に基づき、レイノルズ応力と平均速度勾配の全成分を算出し、
(C)レイノルズ応力と平均速度勾配から乱流エネルギーの散逸率を算出し、
(D)散逸率から速度変動に基づくせん断応力を算出する、ことを特徴とする流れ場のせん断応力分布の計測方法。 - 前記(A)において、ステレオ粒子画像速度計測装置を用い、流れ場の2次元3成分の速度ベクトルを計測する、ことを特徴とする請求項1に記載のせん断応力分布の計測方法。
- 前記(C)において、局所平衡を仮定して、乱流エネルギーの生成から散逸率を算出する、ことを特徴とする請求項1に記載のせん断応力分布の計測方法。
- 前記(D)において、一様等方性乱流場において、乱流エネルギー散逸率の定義に基づき、流れ場における速度変動に基づくせん断応力を算出する、ことを特徴とする請求項1に記載のせん断応力分布の計測方法。
- 対象とする流れ場の速度ベクトルを計測する粒子画像速度計測装置と、
速度ベクトルから速度変動に基づくせん断応力を算出する演算装置とを備え、
演算装置により、
速度ベクトルから流れ場の平均速度と速度変動を算出し、その結果に基づき、レイノルズ応力と平均速度勾配の全成分を算出し、
レイノルズ応力と平均速度勾配から乱流エネルギーの散逸率を算出し、
散逸率から速度変動に基づくせん断応力を算出する、ことを特徴とする流れ場のせん断応力分布の計測装置。
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Cited By (3)
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---|---|---|---|---|
US9379378B2 (en) * | 2010-01-20 | 2016-06-28 | Johnson Controls Technology Company | Electrode for lead acid storage battery |
CN106017860A (zh) * | 2016-07-07 | 2016-10-12 | 河海大学 | 潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及监测方法 |
CN108534985A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-09-14 | 河海大学 | 潮间带泥沙起动测量装置及其测量方法 |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US10543473B2 (en) * | 2014-06-24 | 2020-01-28 | Nova Chemicals (International) S.A. | Controlling local fluid age in a stirred reactor |
CN104133078B (zh) * | 2014-07-30 | 2016-08-17 | 清华大学 | 基于片光扫描粒子图像的三维流场高频测量装置及其方法 |
CN104568378B (zh) * | 2014-12-31 | 2017-05-03 | 中国科学院南海海洋研究所 | 一种海洋湍流定点混合仪及其使用方法 |
JP6593865B2 (ja) * | 2015-06-25 | 2019-10-23 | 国立研究開発法人 海上・港湾・航空技術研究所 | 流場計測方法及び流場計測システム |
CN108896272B (zh) * | 2018-05-04 | 2020-03-06 | 中国海洋大学 | 一种湍流测量方法及测量装置 |
CN113049230B (zh) * | 2019-12-26 | 2023-04-07 | Smc(中国)有限公司 | 一种喷嘴射流场测试方法及电子设备 |
CN113111599B (zh) * | 2021-03-10 | 2024-01-19 | 中国科学院工程热物理研究所 | 一种用于风电叶片全局流场的高精度混合测试方法 |
CN113654921B (zh) * | 2021-09-03 | 2024-05-07 | 西南石油大学 | 一种锥形板可变体积湍流减阻评价装置及方法 |
CN113820265B (zh) * | 2021-09-28 | 2023-06-23 | 北京卫星环境工程研究所 | 一种复合式尘埃多参量探测方法 |
Family Cites Families (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US8001A (en) * | 1851-03-25 | Machine for preparing clay for making brick | ||
JPS60243570A (ja) * | 1984-05-18 | 1985-12-03 | Nippon Furnace Kogyo Kaisha Ltd | 流れ場の不可視情報の検出方法 |
JP2001312488A (ja) * | 2000-04-28 | 2001-11-09 | Shinko Pantec Co Ltd | 攪拌槽内の流動状態の予測方法及びその流動状態の表示方法 |
JP3772216B2 (ja) * | 2003-05-28 | 2006-05-10 | 防衛庁技術研究本部長 | 航走体の流体抵抗と自己放射雑音レベルを同時に低減する船殻用多層構造材料及びその方法 |
JP2006296423A (ja) * | 2005-03-24 | 2006-11-02 | Hitachi Ltd | 培養槽の制御装置及び培養装置 |
JP4577193B2 (ja) * | 2005-11-22 | 2010-11-10 | パナソニック電工株式会社 | 粒子追跡法を用いた流場計測方法 |
JP4349385B2 (ja) * | 2006-06-27 | 2009-10-21 | パナソニック電工株式会社 | 粒子追跡法を用いた流場計測方法 |
JP5030208B2 (ja) * | 2007-01-19 | 2012-09-19 | 株式会社日立プラントテクノロジー | ポンプ吸込水槽模型試験における吸込管内流速測定装置 |
JP5354659B2 (ja) * | 2009-04-06 | 2013-11-27 | 独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 | 流体力分布計測方法及び計測装置 |
-
2011
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US9379378B2 (en) * | 2010-01-20 | 2016-06-28 | Johnson Controls Technology Company | Electrode for lead acid storage battery |
CN106017860A (zh) * | 2016-07-07 | 2016-10-12 | 河海大学 | 潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及监测方法 |
CN106017860B (zh) * | 2016-07-07 | 2018-07-24 | 河海大学 | 潮滩泥沙临界起动切应力原位测试装置及监测方法 |
CN108534985A (zh) * | 2018-03-13 | 2018-09-14 | 河海大学 | 潮间带泥沙起动测量装置及其测量方法 |
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