JP6278438B2 - 流体輸送用管 - Google Patents

Description

本発明は、流体輸送用管に関する。

流体を搬送する管路内に羽根状の回転子を設けて流体を加減速することにより、流体に脈動を与えて、管路の摩擦抵抗を低減させる方法がある（例えば、特許文献１参照）。
特許文献１ 特許第５１０５２９２号公報

しかしながら、上記方法においては管路内に羽根状の回転子を設けることになるので、構造が複雑になるという課題がある。

本発明の第１の態様においては、流体輸送用管であって、流体の断面平均流速を加速する流路と減速する流路とを直列に複数配した。

なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。

本実施形態に係る流体輸送用管１０の断面図を示す。 単位管１００の概略斜視図である。 他の流体輸送用管１２を示す。 さらに他の流体輸送用管１４を示す。 境界適合座標系による格子を示す。 各実施例の等価直径ベースのレイノルズ数Ｒｅ_ｈを示す。 各実施例の摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆおよび全抵抗低減率Ｒ_Ｄを示す。 実施例１５の形状を示す。 当該実施例１５を流れる流体の平均主流速度ｕ_ｚの速度分布を示す。 断面積の最大値と最小値との比ＣＲと、抵抗低減率等との相関を示す。 断面の半径の平均値Ｒに対する長さＬ_ｚの比Ｌ_ｚ／Ｒと、抵抗低減率等との相関を示す。 断面の半径の差ΔＲに対する長さＬ_ｚの比Ｌ_ｚ／ΔＲと、抵抗低減率Ｒ_Ｄとの相関を示す。 比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚおよび比ＣＲに対する摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆの等高線分布を示す。 比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚおよび比ＣＲに対する圧力抵抗増大率Ｒ_ｃｐの等高線分布を示す。 開き角の最大値θ_ｍａｘおよび比Ｌ_ｚ／ΔＲに対する、全抵抗低減率Ｒ_Ｄの等高線分布を示す。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１は、本実施形態に係る流体輸送用管１０の断面図を示す。図１の流体輸送用管１０は、長手方向に直交する方向、すなわち流体の流れの方向に直交する方向の断面が円形である。

なお、特に断らない限り、流体輸送用管１０の流体が流れる内壁面について説明する。外壁面はいかなる形であってもよい。さらに、流体輸送用管１０の材質は例えば金属等の剛体であって、流す流体に応じて選択される。流体は、気体であっても液体であってもよく、特に限定されない。

流体輸送用管１０において、流れに直交する断面積が流れの方向に沿って小さくなる縮小流路１０２と、当該断面積が流れの方向に沿って大きくなる拡大流路１０４と、が直列に複数配される。一つの縮小流路１０２と一つの拡大流路１０４との組を、単位管１００と呼ぶ。これにより、流体輸送用管１０は直列に配された複数の単位管１００を有する、ということもできる。

図１の流体輸送用管１０では、同一形状の単位管１００が直列的に配されている。これにより、縮小流路１０２と拡大流路１０４と組が流れ方向に沿って周期的に配されることになる。なお、単位管１００が図１において４つであることは例示であって、それ以上の個数でもそれ以下の個数でもよい。また、図１では説明のため、長手方向を全体的に縮めて描いている。

当該流体輸送用管１０に、時間的に一定の流量の流体が流入すると、縮小流路１０２では、流体の断面平均流速が増加する。一方、拡大流路１０４では断面平均流速が減少する。ここで、拡大流路１０４で生じた渦による乱流が、縮小流路１０２で加速されて再層流化される。これにより、流体輸送用管１０の全体として直円管と比較して流体の受ける抵抗を低くすることができる。従って、流体の輸送効率を高めることができる。

図２は、単位管１００の概略斜視図である。単位管１００は、断面形状が互いに等しい流入側開口１０６と流出側開口１０８とを有する。流入側開口１０６と流出側開口１０８との間に、流れ方向の断面積が最少となる最少径部１１０を有する。流入側開口１０６から最少径部１１０までが縮小流路１０２を構成し、最少径部１１０から流出側開口１０８までが拡大流路１０４を構成する。

単位管１００の形状を特徴付ける各パラメータを以下のように定義する。
Ｌ_ｚ［ｍ］：流れ方向の長さ
Ｌ_ａｃｃ［ｍ］：縮小流路の流れ方向の長さ
Ｒ［ｍ］：流れ方向に直交する断面の平均半径
ΔＲ［ｍ］：最大半径と最少半径との差
θ_ｍａｘ［°］：拡大部の開き角の最大値

図３は、他の流体輸送用管１２を示す。流体輸送用管１２において、上記単位管１００の繰り返しの間に、周期的にまたはランダムに、他の形状を有する単位管１３０が接続されている。

単位管１３０は、単位管１００の流入側と流出側とを反転した形状を有する。すなわち、単位管１３０は、縮小流路１０２と同形の拡大流路１３４、および、拡大流路１０４と同形の縮小流路１３２を有する。単位管１３０に代えて、他の形状および長さを有する単位管が接続されてもよい。

図４は、さらに他の流体輸送用管１４を示す。流体輸送用管１４において、上記単位管１００の繰り返しの間に、周期的にまたはランダムに直円管１７０が接続されている。直円管１７０は、流れ方向に沿って断面積が一定の形状である。

上記いずれの例においても、単位管１００等は別個に形成されてユニオンナット等で連結されてもよいし、複数の単位管１００等が一体的に形成されてもよい。また、隣接する単位管１００等同士は滑らかに連結されていることが好ましい。また、流体輸送用管１０等の流入側の端部が必ずしも縮小流路１０２でなくてもよく、流出側の端部が必ずしも拡大流路１０４でなくてもよい。

流体輸送用管１０等の抵抗をより低減するには、縮小流路１０２等において、断面積が流れ方向に沿って単調に減少することが好ましい。同様に、拡大流路１０４等において、断面積が流れ方向に沿って単調に増加することが好ましい。いずれの場合にも任意の断面の中心を結ぶ線分は流れ方向に沿った直線となることが好ましい。さらに、縮小流路１０２等および拡大流路１０４等のそれぞれは、流れ方向について滑らかな曲線により構成されることが好ましい。

さらに、拡大流路１０４等での乱流に対して縮小流路１０２等での再層流化がより優位となるように、流体輸送用管１０等に含まれる各単位管１００等の形状のパラメータが設定されることが好ましい。具体的には下記パラメータが例示される。

単位管１００等のそれぞれについて、流れの方向に直交する断面積の最大値と最小値との比ＣＲが予め定められた範囲内であることが好ましい。また、断面積の大きさを特徴付ける長さである半径の平均値Ｒ、に対する長さＬ_ｚの比Ｌ_ｚ／Ｒ、が、予め定められた範囲内にあることが好ましい。また、単位管１００等の全体のＬ_ｚ長さに対する縮小流路１０２等の長さＬ_ａｃｃの比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚが、予め定められた範囲内にあることが好ましい。また、拡大流路１０４における開き角の最大値θ_ｍａｘが予め定められた範囲内にあることが好ましい。

単位管１００の形状を特徴付ける各パラメータを変化させた実施例１から実施例１７について、シミュレーションを行い、抵抗低減率等を評価した。

当該シミュレーションにおいて、図５に示すように管形状に沿って格子を変形させた境界適合座標系を導入した。この場合に、円形座標系（ｒ，θ，ｚ）と境界適合座標系（ξ_ｒ（１＋η），ξ_θ，ξ_ｚ）との変換式は下記（数１）で示される。

流体の連続の式とナビエ・ストークス方程式とを上記（数１）で座標変換し、乱流の直接数値シミュレーションで連立して解いた。直接数値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に直接解く方法である。

平均摩擦速度ｕ_τ［ｍ／ｓ］、平均半径Ｒ、動粘度ν［ｍ^２／ｓ］によって定義される摩擦レイノルズ数Ｒｅ_τをいずれの実施例についても１１０とした。流れを駆動する平均圧力勾配−ｄＰ^＊／ｄｚ^＊をいずれの実施例についても２とした。なお「^＊」は、対象を平均摩擦速度ｕ_τと平均半径Ｒを用いて無次元化することを示す。

時間進行、空間微分の近似および境界条件は下記の方法を用いた。
時間進行 拡散項：２次精度Ｃｒａｎｋ−Ｎｉｃｏｌｓｏｎ法
その他の項：省記憶型３次精度Ｒｕｎｇｅ−Ｋｕｔｔａ法
空間離散化：２次精度中心差分法
境界条件 ξ_θ，ξ_ｚ方向：周期境界条件
ξ_ｒ方向：滑りなし境界条件

流れが管から受ける抵抗の評価および抵抗低減効果の評価には、下記（数２）から（数８）で定義される各評価値を用いた。各評価値、その次元、当該評価値に用いられるパラメータおよびその次元は下記の通りである。
Ｃ_ｆ［無次元］：平均壁面摩擦係数
Ｃ_ｐ［無次元］：平均圧力抵抗係数
Ｃ_Ｔ［無次元］：全抵抗

τ_ｗ［Ｐａ］：壁面せん断応力
ｐ_ｗ，ｚ［Ｐａ］：壁面圧力の主流方向成分
ρ［ｋｇ／ｍ^３］：流体の密度
ｕ_ｂ［ｍ／ｓ］：断面平均流速
なお、［］_ｚは主流方向に平均された量であることを示す。

Ｒ_Ｄ［％］：全抵抗低減率
Ｒ_ｃｆ［％］：摩擦抵抗低減率
Ｒ_ｃｐ［％］：圧力抵抗増大率

Ｃ_{ｆ，ｓｔｒａｉｇｈｔ}［無次元］：下記（数６）で定義されるＢｌａｓｉｕｓの式。同じレイノルズ数の直円管における壁面摩擦抵抗係数を示す。

Ｒｅ_ｈ［無次元］：等価直径ベースのレイノルズ数
Ｄ_ｈ［ｍ］：等価直径

実施例１から４は、いずれも縮小流路が拡大流路よりも短い（実施例１から４をグループＡと呼ぶことがある）。

実施例５から１２は、いずれも縮小流路が拡大流路よりも長い（実施例５から１２をグループＢと呼ぶことがある）。

実施例１３から１６は、Ｌ_ｚ／Ｒを１６０に固定して、他のパラメータを変更し、２次の微分係数まで連続になるようにスプライン関数を用いて形状を決めた（実施例１３から１７をグループＣと呼ぶことがある）。

図６は、シミュレーションの結果である各実施例の等価直径ベースのレイノルズ数Ｒｅ_ｈを示す。比較例として実施例の平均半径Ｒと同一の半径Ｒを有する直円管をＸで示した。直円管と比較してレイノルズ数が増加している実施例は、全抵抗が直円管よりも低減されていることを示す。図６から明らかな通り、実施例１から１７のうち３例を除いては、全抵抗が低減された。

図７は、各実施例の摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆおよび全抵抗低減率Ｒ_Ｄを示す。摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆが最も高かったのは、実施例１０の３５％である。全抵抗低減率Ｒ_Ｄが最も高かったのは、実施例１５の１７％である。

図８は、実施例１５の形状を示す。図９は、当該実施例１５を流れる流体の平均主流速度ｕ_ｚ［ｍ／ｓ］の速度分布を示す。

図７において全抵抗低減率Ｒ_Ｄが最も高かった、実施例１５を流れる流体の平均主流速度ｕ_ｚ［ｍ／ｓ］の速度分布を評価した。速度分布は、図８における最大および最少の断面積の位置（ｚ／Ｒ＝０および１００）、並びに、それぞれの中点（ｚ／Ｒ＝５０および１３０）の、合計４点について図９に示した。図９において管壁面からの距離をｙ^＋とする。（）^＋は動粘度νと局所の摩擦速度ｕ_τ０［ｍ／ｓ］で無次元化された量を示す。

図９から明らかな通り、ｚ／Ｒ＝０では拡大流路で減速を受けた流れが縮小流路に流入する。ｚ／Ｒ＝５０に至るまでｙ^＋＝３０の緩和層上端を中心に流速が上昇する。ｚ／Ｒ＝１００では緩和層は変化せず、管中心側の速度が上昇している。これらは、減速を受けた流れが壁面から受ける粘性の影響が、加速と共に粘性低層から緩和層へ、緩和層から管中心付近へと伝搬する様子を示す。

以上の通り、縮小流路では、流体の断面平均流速が増加する。一方、拡大流路では断面平均流速が減少する。これにより、拡大流路での乱流が縮小流路で再層流化して、管内を流れる流体に与える抵抗が、直円管に比べて低減することが確認された。

図１０および図１１は、単位管１００等の形状を特定するパラメータと抵抗低減率等との相関を示す例である。図１０は、断面積の最大値と最小値との比ＣＲと、抵抗低減率等との相関を示す。図１１は、断面の半径の平均値Ｒに対する長さＬ_ｚの比Ｌ_ｚ／Ｒと、抵抗低減率等との相関を示す。

図１０に、グループＡおよびＢにおけるＬ_ｚ／Ｒ＝１６０の実施例に限定して、比ＣＲに対する全抵抗低減率Ｒ_Ｄ、摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆおよび圧力抵抗増大率Ｒ_ｃｐの変化を示した。比ＣＲを大きくすると、摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆが低減するが、圧力抵抗増大率Ｒ_ｃｐも増大している。よって、比ＣＲは抵抗低減効果に寄与するパラメータの一つであるといえる。図１０の例では比ＣＲは３より小さいことが好ましく、１．５付近がより好ましい。

図１１に、比ＣＲが１．５の実施例に限定して、比Ｌ_ｚ／Ｒに対する全抵抗低減率Ｒ_Ｄ、摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆおよび圧力抵抗増大率Ｒ_ｃｐの変化を示した。全抵抗低減率Ｒ_Ｄ、および摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆはＬ_ｚ／Ｒ＝１６０で極大値をとる。よって、比Ｌ_ｚ／Ｒは抵抗低減効果に寄与するパラメータの一つであるといえる。図１１の例では、比Ｌ_ｚ／Ｒは１６０付近がより好ましい。

図１２は、断面の最大半径と最少半径との差ΔＲに対する長さＬ_ｚの比Ｌ_ｚ／ΔＲと、全抵抗低減率Ｒ_Ｄとの相関を示す。図１２に示すように、全抵抗低減率Ｒ_Ｄは、比Ｌ_ｚ／ΔＲ＜４００の場合にはグループ毎にばらつきがあるとともに、当該値が低い。一方、比Ｌ _ｚ ／ΔＲ＞４００において全抵抗低減率Ｒ_Ｄはグループ毎による差が小さくなり、当該値は正の値をとる。さらに、全抵抗低減率Ｒ_Ｄは、比Ｌ_ｚ／ΔＲが８００付近で極大値となり、８００より大きくなると徐々に低下する。よって、比Ｌ_ｚ／ΔＲも抵抗低減効果に寄与するパラメータの一つであるといえる。ただし、比Ｌ_ｚ／ΔＲは上記パラメータのうち、比Ｌ_ｚ／Ｒと比ＣＲとが決まれば、一意に決まる値である。図１２の例では、比Ｌ_ｚ／ΔＲは８００付近であることが好ましい。

図１３は、比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚおよび比ＣＲに対する、摩擦抵抗低減率Ｒ_ｃｆの等高線分布を示す。図１４は、比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚおよび比ＣＲに対する、圧力抵抗増大率Ｒ_ｃｐの等高線分布を示す。

図１３に示すように、縦軸の正方向に値が増大し、横軸方向の変化は乏しい。一方、図１４に示すように、図の右上に向かうほど値が増大している。すなわち、比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚが１に近いほど、または比ＣＲが大きいほど、圧力抵抗が増大している。よって、比Ｌ_ａｃｃ／Ｌ_ｚも抵抗低減効果に寄与するパラメータの一つであるといえる。

図１５は、開き角の最大値θ_ｍａｘおよび比Ｌ_ｚ／ΔＲに対する、全抵抗低減率Ｒ_Ｄの等高線分布を示す。図１５に示すように、最大値θ_ｍａｘが０．６度以下では当該最大値θ_ｍａｘが抵抗低減率へ与える影響は小さい。一方、最大値θ_ｍａｘが０．６度以上では全抵抗低減率Ｒ_Ｄは低下する。よって、最大値θ_ｍａｘも抵抗低減効果に寄与するパラメータの一つであるといえる。

以上、本実施形態によれば、流体輸送用管１０において、拡大流路１０４と縮小流路１０２を複数直列に設けることにより、拡大流路１０４で生じた乱流を縮小流路１０２で再層流化する。これにより、流体輸送用管１０の全体として直円管と比較して抵抗を低くすることができ、流体の輸送効率を高めることができる。特に、流体に対して羽根状の回転子等で脈動を与えるような、流体を動的に駆動する構成がいらないので、簡便な構成で輸送効率を高めることができる。

なお、上記実施形態はいずれも流体の流れ方向の断面が円であるが、これに代えて楕円等の他の形状であってもよい。また、上記実施形態はいずれも縮小流路１０２等で流体を加速し、拡大流路１０４等で流体を減速しているが、流体輸送用管１０の他の形状または構造によって加速流路および減速流路を構成してもよい。

上記実施形態は、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。さらに、本実施形態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。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実施形態を適用することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。

特許請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。特許請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。

１０ 流体輸送用管、１２ 流体輸送用管、１４ 流体輸送用管、１００ 単位管、１０２ 縮小流路、１０４ 拡大流路、１０６ 流入側開口、１０８ 流出側開口、１１０ 最少径部、１３０ 単位管、１３２ 縮小流路、１３４ 拡大流路、１７０ 直円管

Claims (10)

1. 流体の断面平均流速を増加する流路と減少する流路とを、直列に複数配しており、
   前記増加する流路および前記減少する流路において、長手方向に直交する断面が円形であり、
   増加する流路および減少する流路の一組の長手方向の長さＬｚ、並びに、増加する流路および減少する流路の一組の中の最大半径と最小半径との差ΔＲについて、
   ４００＜Ｌｚ／ΔＲ≦１５９０、
   を満たす流体輸送用管。
2. 前記増加する流路は、長手方向に直交する断面積が前記長手方向に沿って小さくなる縮小流路を含み、
   前記減少する流路は、前記断面積が前記長手方向に沿って大きくなる拡大流路を含む請求項１に記載の流体輸送用管。
3. 前記縮小流路において、前記断面積は前記長手方向に沿って単調に減少するとともに、
   前記拡大流路において、前記断面積は前記長手方向に沿って単調に増加する請求項２に記載の流体輸送用管。
4. 前記縮小流路は滑らかな曲線により構成されるとともに、前記拡大流路は滑らかな曲線により構成される請求項２または３に記載の流体輸送用管。
5. 互いに隣接した前記縮小流路と前記拡大流路とが滑らかに接続されている請求項２から４のいずれか１項に記載の流体輸送用管。
6. 前記縮小流路と前記拡大流路との組が、長手方向に沿って周期的に配されている請求項２から５のいずれか１項に記載の流体輸送用管。
7. 互いに隣接した前記縮小流路と前記拡大流路との組のそれぞれについて、前記断面積の最大値と最小値との比が予め定められた範囲内にある請求項６に記載の流体輸送用管。
8. 互いに隣接した前記縮小流路と前記拡大流路との組のそれぞれについて、前記断面積の大きさを特徴付ける長さの平均値に対する前記組の前記長手方向の長さの比、が、予め定められた範囲内にある請求項６または７に記載の流体輸送用管。
9. 互いに隣接した前記縮小流路と前記拡大流路との組のそれぞれについて、前記組の前記長手方向の長さに対する前記縮小流路の前記長手方向の長さの比が、予め定められた範囲内にある請求項６から８のいずれか１項に記載の流体輸送用管。
10. 互いに隣接した前記縮小流路と前記拡大流路との組のそれぞれについて、前記拡大流路における開き角の最大値が予め定められた範囲内にある請求項２から７のいずれか１項に記載の流体輸送用管。