JP7072269B2

JP7072269B2 - ボイド率計測装置およびボイド率計測方法

Info

Publication number: JP7072269B2
Application number: JP2020060039A
Authority: JP
Inventors: 良行河村; 竜江頭; 夏樹松川; 翔佐藤; 徹 ▲高▼曽
Original assignee: fukuokakougyoudaigaku
Current assignee: fukuokakougyoudaigaku
Priority date: 2020-03-30
Filing date: 2020-03-30
Publication date: 2022-05-20
Anticipated expiration: 2040-03-30
Also published as: JP2021156837A

Description

本発明は、液体中に気体を微細気泡として含む流体（気液混相流）のボイド率（気液混相流中に占める気体の体積の割合）を計測するボイド率計測装置およびボイド率計測方法に関する。

従来、ボイド率を計測する装置として最も一般的に用いられているものは導電式である（例えば、非特許文献１，２参照。）。導電式は、液体の導電率が気体よりも高いことを利用した方法である。具体的には、流れの中に設置した２つの電極のうちの小さい方の電極が気体に接触しているか液体に接触しているかによって電極間の電気抵抗が変化することを利用する。

また、ボイド率を計測する装置として光学式のものも知られている（例えば、非特許文献１，２参照。）。光学式では、光ファイバーグラス束からなるプローブを気泡流の中に差し込み、気相と液相の屈折率の違いを利用して光学的に気液の存否を検出するものである。

石川温士、今井良二、田中貴博，水を用いた水平管群の気液二相流計測，ＩＨＩ技報，株式会社ＩＨＩ，平成２５年４月発行，第５３巻，第１号，ページｐ．４０－４６飯田嘉宏，気液混相流，化学工学，公益社団法人化学工学会，１９７３年４月５日発行，第３７巻，第４号，ページｐ．３３７－３４０

上記従来の導電式および光学式では、流れの中に電極やプローブを差し込むため、流れの状態を変化させてしまうことになる。また、導電式は、非導電性の流体には使用することができないという問題がある。

また、導電式では一方の小さな電極の先端が、光学式ではプローブ先端が、気体であるか液体であるかを検出するため、局所的なボイド率が計測されることになり、ボイド率本来の空間平均的な量としては計測されないという問題がある。

そこで、本発明においては、流体が導電性であるか非導電性であるかを問わず計測可能であり、本来の空間平均的なボイド率を計測することが可能なボイド率計測装置およびボイド率計測方法を提供することを目的とする。

本発明のボイド率計測装置は、液体中に気泡を微細気泡として含む流体中に圧力波を照射する照射部と、照射部と所定の距離Ｌを隔てて配置され、照射部から照射された圧力波を検知する検知部と、照射部から照射された圧力波が検知部に到達するまでの時間と距離Ｌとから圧力波の伝播速度を算出し、圧力波の伝播速度からボイド率を算出する演算部とを含むものである。

本発明のボイド率計測方法は、液体中に気泡を微細気泡として含む流体中に照射部から圧力波を照射すること、照射部と所定の距離Ｌを隔てて配置された検知部により照射部から照射された圧力波を検知すること、照射部から照射された圧力波が検知部に到達するまでの時間と距離Ｌとから圧力波の伝播速度を算出し、圧力波の伝播速度からボイド率を算出することを特徴とする。

これらの発明によれば、照射部から照射された圧力波が、微細気泡を含む流体中を伝播して照射部と所定の距離Ｌを隔てて配置された検知部に到達したことを検知し、照射部から照射された圧力波が検知部に到達するまでの時間と距離Ｌとから圧力波の伝播速度が算出され、圧力波の伝播速度からボイド率が算出される。

本発明によれば、照射部から照射される圧力波が微細気泡を含む流体中を伝播する速度を測定するため、流体が導電性であるか非導電性であるかを問わず計測することが可能であり、本来の空間平均的なボイド率を計測することが可能となる。また、流体の流れに影響を与えるような電極やプローブ等を差し込む必要がなく、流れに影響を与えないでボイド率を計測することができる。

本発明の実施の形態におけるボイド率計測装置の概略構成図である。信号発生器で生成する音波信号の波形を示す図である。液体が水であり、気体が空気である場合のボイド率αに対する音速ｃを表したグラフである。図３のα＝０～２％の範囲を拡大したグラフである。実験装置を示す図である。横軸に注射器を用いて実際に気泡の体積を測定して求めたボイド率を取り、縦軸に本実験により測定したボイド率を取ったグラフである。

図１は本発明の実施の形態におけるボイド率計測装置の概略構成図である。
図１において、本発明の実施の形態におけるボイド率計測装置１は、液体Ｆ₁中に気体Ｆ₂を微細気泡として含む流体（気液混相流）Ｆ中に圧力波としての音波Ｐを照射する照射部１０と、照射部１０と所定の距離Ｌを隔てて配置され、照射部１０から照射された音波Ｐを検知する検知部１１と、音波Ｐの伝播速度ｃからボイド率αを算出する演算部１２とを有する。ボイド率αは、流体（気液混相流）Ｆ中に占める気体Ｆ₂の体積の割合（比率）である。

また、ボイド率計測装置１は、照射部１０から照射する音波Ｐの信号を発生する信号発生器１３と、照射部１０から照射された音波Ｐが検知部１１に到達するまでの時間Ｔを測定する信号測定器１４とを有する。

照射部１０および検知部１１としては、圧電素子（ピエゾ素子）を使用することができる。２つの圧電素子を測定対象である流体Ｆを挟んで、１つを送信用として、もう１つを受信用として対面配置することで、照射部１０および検知部１１を構成している。

信号発生器１３としては、ファンクションジェネレータ（関数電圧発生器）を使用することができる。信号発生器１３で生成した音波Ｐの信号は、照射部１０および信号測定器１４に入力され、照射部１０から音波Ｐが検知部１１へ向かって照射される。音波Ｐの信号としては、例えば図２に示すようなステップ状の信号（矩形波）を使用することができる。照射部１０から照射された音波Ｐは流体Ｆ内を伝播して検知部１１へ到達する。

信号測定器１４としては、オシロスコープを使用することができる。信号測定器１４では、信号発生器１３から入力された音波Ｐの信号と、流体Ｆ内を伝播して検知部１１により検知された音波Ｐの信号とから、照射部１０から照射された音波Ｐが距離Ｌを経て検知部１１に到達するまでの時間Ｔを測定する。

演算部１２としては、パーソナルコンピュータを使用することができる。演算部１２では、信号測定器１４により測定した時間Ｔと前述の距離Ｌとから音波Ｐの伝播速度（音速）ｃ＝Ｌ／Ｔを算出し、この音速ｃからボイド率αを算出する。

ここで、音速ｃ［ｍ／ｓ］とボイド率αとの関係について説明する。
液体Ｆ₁中に気体Ｆ₂を微細気泡として含む流体Ｆ全体の体積弾性率をＥ［Ｐａ］、流体Ｆ全体の密度をρ［ｋｇ／ｍ³］とすると、音速ｃは次式（１）で表される。

また、流体Ｆに含まれる液体Ｆ₁の体積弾性率をＥ₁［Ｐａ］、流体Ｆに微細気泡として含まれる気体Ｆ₂の体積弾性率をＥ₂［Ｐａ］、流体Ｆに含まれる液体Ｆ₁の密度をρ₁［ｋｇ／ｍ³］、流体Ｆに微細気泡として含まれる気体Ｆ₂の密度をρ₂［ｋｇ／ｍ³］とすると、ρ［ｋｇ／ｍ³］およびＥ［Ｐａ］は、それぞれ下記式（２）、（３）で表される。

上記式（１）～（３）を用いて音速ｃ［ｍ／ｓ］とボイド率αとの関係について整理すると、

となり、これをαについて解くと、

となる。

図３は液体Ｆ₁が水であり、気体Ｆ₂が空気である場合のボイド率αに対する音速ｃを表したグラフ、図４は図３のα＝０～２％の範囲を拡大したグラフである。図３に示すように、ボイド率α＝０％（水のみ）での音速は約１５００［ｍ／ｓ］であり、ボイド率α＝１００％（空気のみ）での音速は約３４０［ｍ／ｓ］であり、ボイド率α＝５０％を底とするカーブを描くことになるが、ボイド率α＝５０％以下、４０％以下、３０％以下、２０％以下、１０％以下、５％以下、２％以下や１％以下などに限れば、次式（６）により音速ｃに対してボイド率αは一意に決定される。

また、図４に示すように、α≦２％では音速ｃに対するボイド率αの変化量が大きく、精度の高いボイド率αを得ることができる。特に、本実施形態におけるボイド率計測装置１の計測対象をファインバブル（特に、直径１～１００μｍのマイクロバブル）に限れば、実用上のボイド率は１％以下であり、上記式（６）により音速ｃからボイド率αが精度良く算出される。

以上のように、本実施形態におけるボイド率測定装置１では、液体Ｆ₁中に気泡を微細気泡として含む流体Ｆ中に照射部１０から圧力波Ｐを照射し、照射部１０と所定の距離Ｌを隔てて配置された検知部１１により照射部１０から照射された圧力波Ｐを検知し、照射部１０から照射された圧力波Ｐが検知部１１に到達するまでの時間Ｔと距離Ｌとから音速ｃを算出して、音速ｃからボイド率αを算出することができる。

このボイド率計測装置１では、照射部１０から照射される圧力波Ｐが微細気泡を含む流体Ｆ中を伝播する速度（音速）を測定するため、流体が導電性であるか非導電性であるかを問わず計測することが可能であり、本来の空間平均的なボイド率αを計測することが可能である。また、流体Ｆの流れに影響を与えるような電極やプローブ等を差し込む必要がなく、流れに影響を与えないでボイド率αを計測することができる。

図５に示す実験装置を用いてマイクロバブルを含む水のボイド率計測を行った。
図５に示す実験装置では、水槽２内の液体Ｆ₁としての水を吸入口３Ａからマイクロバブル発生装置４に取り込み、この取り込んだ水中にマイクロバブル発生装置４により気体Ｆ₂としての空気を微細気泡としてのマイクロバブルとして含む流体Ｆとして排出口３Ｂから水槽２内へ戻している。この水槽２の流体Ｆ内に照射部１０と検知部１１とを距離Ｌ隔てて配置した。

なお、照射部１０および検知部１１は積層型超音波発生素子（ピエゾ素子）を用い、距離Ｌ＝０．０１ｍｍとした。信号発生器１３はファンクションジェネレータを用いた。信号測定器１４はオシロスコープを用いた。

実験では、まず、マイクロバブル発生装置４を用いて水槽２内をマイクロバブルで満たし、最大限に真っ白になった状態でマイクロバブルの供給をストップし、この時刻を０として、その後、１０秒後、３０秒後の音速ｃとボイド率αとを記録した。表１は測定結果を示している。表１からも分かるように、時間の経過とともに大きな気泡から浮上して消滅していくため、ボイド率αは小さくなり、それに伴って音速ｃも上昇する。また、いずれの音速も空気中の音速３４０［ｍ／ｓ］よりも小さい。

また、図６は横軸に注射器を用いて実際に気泡の体積を測定して求めたボイド率を取り、縦軸に本実験により測定したボイド率（表１）を取ったグラフを示している。両者はよく一致しており、特にボイド率α≦１％の範囲においてボイド率αが精度良く算出されていることが分かる。

本発明のボイド率測定装置およびボイド率測定方法は、液体中に気体を微細気泡として含む流体のボイド率を計測するボイド率計測装置およびボイド率計測方法として有用であり、特に、流体が導電性であるか非導電性であるかを問わず計測可能であり、本来の空間平均的なボイド率を計測することが可能であるため、比較的小さい複数の気泡が含まれる流れを対象とするファインバブルに関わる研究開発や産業分野、火力発電所や原子力発電所などの環境分野などに好適である。

１ボイド率計測装置
２水槽
３Ａ吸入口
３Ｂ排出口
４マイクロバブル発生装置
１０照射部
１１検知部
１２演算部
１３信号発生器
１４信号測定器

Claims

液体中に気体を微細気泡として含む流体中に圧力波を照射する照射部と、
前記照射部と所定の距離Ｌを隔てて配置され、前記照射部から照射された圧力波を検知する検知部と、
前記照射部から照射された圧力波が前記検知部に到達するまでの時間と前記距離Ｌとから前記圧力波の伝播速度を算出し、前記圧力波の伝播速度からボイド率を算出する演算部であり、前記圧力波の伝播速度をｃ、前記液体の体積弾性率をＥ ₁ 、前記気体の体積弾性率をＥ ₂ 、前記液体の密度をρ ₁ 、前記気体の密度をρ ₂ としたとき、ボイド率αを

を用いて算出する演算部と
を含むボイド率計測装置。
前記圧力波は音波である請求項１記載のボイド率計測装置。
ボイド率１％以下の流体を計測対象とする請求項１または２に記載のボイド率計測装置。
液体中に気体を微細気泡として含む流体中に照射部から圧力波を照射すること、
前記照射部と所定の距離Ｌを隔てて配置された検知部により前記照射部から照射された圧力波を検知すること、
前記照射部から照射された圧力波が前記検知部に到達するまでの時間と前記距離Ｌとから前記圧力波の伝播速度を算出し、前記圧力波の伝播速度からボイド率を算出するに際し、前記圧力波の伝播速度をｃ、前記液体の体積弾性率をＥ ₁ 、前記気体の体積弾性率をＥ ₂ 、前記液体の密度をρ ₁ 、前記気体の密度をρ ₂ としたとき、ボイド率αを

を用いて算出すること
を含むボイド率計測方法。