JPH02229904A - 管路内流体乱流抑制方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野］ 本発明は、管路を流れる流体のレイノルズ数（Ｒｅ）の
高い領域で乱流を抑制する方法に関する。

【従来の技術Ｊ 管路内を流れる流体は、周知のように、レイノルズＲ（
Ｒｅ）が２３００未満では管軸方向にしか速度成分をも
たない層流と呼ばれる流動状態を示し、Ｒｅが２３００
以上となると乱流化することが実験的によく知られてい
る． レイノルズ数は、 Ｄｖ Ｒｅ＝− ν ここに、Ｄ：管径 Ｖ：流速 ν：動粘性係数 で表わされる無次元数であって，流動状態を判定する１
つのパラメータである． 〔発明が解決しようとする課題１ 管路を工業的に利用する場合に、乱流状態においては、
乱れのためにエネルギーが消散する。また、乱流状態で
被輸送物の流体輸送を行う場合には、 イ）輸送効率が悪い． 口）被輸送物の動きが不規則なため輸送量が不安定であ
る． などの問題がある．若し高Ｒｅ領域において乱流を抑制
することができれば，多大なメリットがある。

本発明は高Ｒｅの下において２時間、空間的に定常で、
かつ乱流または層流以外の第３のフローパターンを管路
内に形成し、種々の工業的メリ・ントを得ることを目的
とする． 〔課題を解決するための手段ｊ 本発明は、管路にレデューサを設け９このレデューサ内
の軸心位置および／またはレデューサ出側の管内軸心位
置に，管路を流れる流体と別異の細長の異物を同心に固
定し、Ｒｅが２３００以上のいわゆる乱流領域で、乱流
を抑制することを特徴とする管路内流体乱流抑制方法で
ある．この場合、流体と別異の細長の異物を管路内全域
または一部の管軸位置に固定または非固定で同心に配設
すると安定化した流れを得ることができる． また、粉粒状の輸送物を管路に導入しこの管路の軸心位
置付近を流動させて、輸送または化学反応などの処理を
すると、この粉粒状の輸送物が管内軸心位置を流れ、流
体と別異の上記細長の異物と同等の効果をもつ流れを形
成する。

本発明において流体と別異の細長の異物とは、流体が気
体である場合、固体、液体、真空をいい、流体が液体で
ある場合には、固体または気体（真空）をいう。

〔作用ｊ 流体の流動はオイラーの連続の式（１）とナビエ・スト
ークスの方程式（２）で表わされる．Ｄρ −＋　ｐ　・ｄｉｖ　ｖ　＝　Ｏ　　　　　　−　−　
（　１　）Ｄｔ Ｄｖ　　　　ｌ　　　　　ｌ −＝　Ｆ　−　−１＜ｒａｄ　Ｐ　＋　−ｖ　ｇｒａｄ
−ｄｉｖ　ｖＤｔ　　　　ρ　　　　３ ＋νｒ７２ｖ　　　　　　　　・・・・・−（２）ここ
で、 ？ ■：ラグランジュの微分演算子 Ｄｔ ρ：密度（ｋ　ｇ／ゴ） ｐ　＝Ｃｏｎｓｔ．　（密度は一定）　　　　　−（７
）ｖ　＝Ｃｏｎｓｔ．　（動粘性係数は一定）　　・　
（８）以上のような仮定（３）〜（８）の下では、式（
１）．（２）は次のように変形される。

すなわち，（ｌ）式より、 Ｆ：外力加速度（ｍ／ｓ２） Ｐ：圧力（ｋ　ｇ　ｆ／ｃｒｒｉ″） ν：動粘性係数（ｍ”／ｓ） 円筒管の管内流を考察するので、以下、円柱座標系（　
ｒ　＋　θ．ｚ）を用いる．次の（３）〜（８）式の仮
定を設ける。

Ｆ＝Ｏ　（外力はない）　　　　　　・・・（３）ｖ＝
ｖ（ｒ）　　　　　　　　　　　　・・・（４）（速度
はθ方向、Ｚ方向に一様） Ｐ＝Ｐ　（ｒ，ｚ）　　　　　　　　　・・・〔５）（
圧力はθ方向に一様） ？ ■＝０（流れは定常である）　　・・・（６）ａｔ が得られ、式（２）のｒ成分，θ成分，Ｚ成分より， ・−・・・・　（　１　１　） が得られる． 式（９冫より、ただちにＶｆの解として下記の式（１３
）が得られる。

ｌ Ｖｒ　：ｖｒｙ＠　Ｒ　− ｒ ・・・　（１３） ここで、ＶｒＲ　　は　ｒ＝ＲにおけるＶｆの値（境界
条件）である． （１０）に代入し、整理すると式（１４）が得もれる． この式（１４）は、円筒管における管径方向の流れ（Ｖ
ｒ　）の存在により、圧力勾配を媒介として、円周方向
の流れ（　ｖｏ）が自生することを示している． 同様に、ナビエ・ストークスの方程式のθ成分の式（１
１）を式（ｌ３）を用いて変形すると，式（ｌ５）が求
まる． −　　（１　＋ＨＲｅ）　　・”ａ＝ｏ　　　　＝−−
　　（１　　５）ここで．ＨＲｅは式（ｌ６）で定義さ
れるものである。

ＨＲｅ”　Ｒ”　”Ｒ＝−−−−　（　１　６　）ν この式のＨＲｅは、レイノルズ数Ｒｅと同様の形をした
無次元数である．この無次元数ＨＲｅが，旋回流，その
他の流れを特徴づける、きわめて重要な定数である． 従来のレイノルズ数Ｒｅとこの定数ＨＲｅどの相違は．
レイノルズ数Ｒｅが管路の流れについて流速の方向を考
えず、管路に沿う平均流速をとらえているのに対して、
定数ＨＲｅは流れの管径方向、すなわちｒ方向成分が流
れのパターンに重要な働きをするとして．Ｖｆに関係す
る定数として定義されていることである． 式（ｌ５）を解くと、式（ｌ７）が得られる．１＋｝Ｉ
Ｒｅ Ｖｓ＝Ｃ　ｌ　−　　ｒ−”＋Ｃ２　ｒ　　　　　　　
＝−　　（１　　７）ここで、Ｃ１．Ｃ２は定数である
．式（ｌ７）の第１項はいわゆる自由渦の円周方向速度
を表わす項であり，第２項は特に、ＨＲｅ＝０、すなわ
ちｖｙ＝ｏの場合には強制渦を表わす項となる．従来の
渦流解析では，　ｖ　ｒ　＝０　（ＨＲｅ＝Ｏ）と考え
ていたので、ランキンの組合わせ渦のような，自由渦と
強制渦の組合わせという渦流モデルがあった．それは式
（１７）において、［−１Ｒｅ＝０とした場合のそれで
、 Ｖａ＝（：　１　−　ｒ−１＋Ｃ２　・ｒ　　　　・＝
　（１　８）と表される． すなわち、式（ｌ７）は従来からの式（ｌ８）を包含し
た、より一般的な鴇の解析式である．次に旋回流が自生
することについて説明する．第５図に示すように、レデ
ューサ１０内に半径Ｒ！の円柱１１を想定し，円柱座標
系（ｒ．　θ，Ｚ》をとる． レデューサｌＯの下方から流体流が上昇してくるので、
内部に仮想した円柱１１の仮想壁面には、第５図のＡ部
に示した管径方向のほぼ均等な流れのＶｒＲ　　を想定
することができる．第５図のＡ部の状態では、旋回流は
な＜．Ｖｓは発生していないので、式（ｌ４）において
、Ｖ，　＝０とおいた次式（ｌ９）が成立する． 式（１９）と式（１３）から圧力Ｐを求めると次式（２
０）となる． ここで．ＰＲはレデューサｌＯの内部に仮想した円柱ｌ
１の仮想管壁における圧力である．式（２０）より、仮
想円柱１１内の圧力が仮想円柱の半径Ｒ１の２乗に反比
例して低下することかわかる。

つまり、管径方向の流れによって，第５図の仮想円柱ｔ
ｉのＢ部の中央部の破線で囲んだ管中心付近ｌ２が低圧
化する． この低圧化には，いうまでもなく限界があり、仮想円柱
ｌ１の中心部に向かう管径方向流にも限界がある． 従って，仮想円柱Ｉｆの中心部付近では、管径方向流Ｖ
ｆはないと考えるのが妥当であろう．そこで、管中心部
付近に対し、式（ｌ４）においてｖｙ＝ｏとおくと，式
（２ｌ）が得られる．式（２１）は、流れの円周方向成
分による遠心力と圧力差のつり合いの式（旋回安定の条
件式）であり、圧力差が存在する状態では，流れの円周
方向成分（旋回成分）Ｖ＃が「自生」することを示唆し
ている． 第５図のＣ部は，管径方向流Ｖｒが消失し、それにとっ
てかわって、円周方向流Ｖ。が自然発生的に生じた状態
を示したものである． つまり、レデューサ１０では、■，＝０の状態で、Ｖｆ
が存在するため、式（２０）に示すような圧力低下か生
じ，その圧力低下のためにｖｒ＝０となった後に，圧力
低下にバランスするＶ−が発生したわけである．そのた
めに流れが旋回流となるのである． その際、生じたＶ。がＶｆに等しい値でバランスすると
仮定すれば、式（１３）より式（２２）となる。

Ｖｅ＝　ｖｒＲ−　Ｒ　　−　−　　　　　　　　　−
・−・−（　２　２　）ｒ この式（２２）の形からわかるように、この理想的な状
態で生ずる円周方向流は、式（ｌ７）または式（１８）
の第１項．すなわち、自由渦の性質を有する流れである
。

式（１３）、（２２）はｖｙ＜Ｏなので、ｒ＝０で、■
７もＶ。も大きさが無限大となるが、実際には内部摩擦
などによるエネルギー損失などで５管内の圧力低下限界
があるので、管の中心部近傍は％＝ｙｒ＝Ｑの層流状態
となっていると考えられる。

次に、流れの管軸方向、すなわちＺ方向について、ナビ
エ・ストークスの方程式のＺ成分を示す式（ｌ２）の検
討を行う． 流れの管径方向成分を考慮して、式（１２）を変形する
と式（２３）が得られる。

ＶＺの解は式（２７）となる． 式（２３）の解は，式（２４）〜（２６）である． ■　ＨＲｅ＝０のとき、 ■　｝ｌＲｅ＝２のとき、 ＶＺ＝Ｃ３＋Ｃ４．ｒ２ ■　ＨＲｅ≠０、かつ、ＨＲｅ≠２のとき、■ｚ＝Ｃ３
＋Ｃ４　ＩＩ　ｒ ＨＲｅ ａＰ ここで．Ｃ：ｉ．ｃ４は定数である． ＶＺの流速の管径方向の変化を考察するために．ｘ＝ｒ
／Ｒとして管径を無次元化した場合の（　１　−　ｘ　
ＨＲｅ）］ ・・・・・・　（２７） ここで−　ｖｌ＝ＶＺ　（ｒ＝ｒ＋） ｘ　１　＝　ｒ　１　／　Ｒ である． ＨＲｅ＜Ｏの場合、第６図に示すように単純に管軸へ流
れが集中する集中流パターンｌ３となり，・さらにそれ
に旋回が加わって，ついに第７図のような、管軸部分に
集中する集中旋回流パターン１４になる。

式（２７）より、ｘ１を０．０５、Ｖｌを１．０とし、
横軸をｘ（＝ｒ／Ｒ）とし、ＨＲｅをパラメー夕として
ｖ２のグラフを描くと、ｆ｛ａｅ≧０の場合は第８図、
ＨＲｅ≦０の場合は第９図となる．ＨＲｅ＜Ｏの場合は
管径方向流速Ｖｆがｖｒ〈０であるからレデューサの部
分で実現されるものである． この場合、第９図に示されるように管軸付近の流速Ｖ２
が非常に高速化する． 上記理論を応用すれば管内に乱流ではなく第１０図に示
すような２重構造の流れが理論上存在することになる．
第１０図では管中心付近は管軸に沿う高速の層流ゾーン
２０であり，そのまわりに自由渦流２ｌが生じている６ このような流れは管中央の層流ゾーン２０の境界が不定
であり、流れ方向に管軸２万向のみならず管周θ、管径
ｒ方向の成分がすぐできてしまうので長続きしない． そこで本発明では人工的に管中央部に流体とは異質な細
長の毘物を設け，流体側から見ると、境界条件（壁）が
できているようにみえる状態として流れを安定化させる
． ちなみにトーネイド（大竜巻）が長続きするのは大気の
エネルギーから中央に真空ゾーンを形成するからである
．人工的に、これを起こすのはエネルギー効率上難しい
． またこの流れ（周辺自由渦）を形成させるきっかけには
、レデューサにて均一な半径方向内側への流れをつ《る
ことが良案であり、レデューサ部分の軸心部にも全体あ
るいは一部に細長の異物があれば自由渦がスムーズに形
成される．このようなレデューサの自由渦では、上記理
論解析より明らかなように、管軸に沿う中央付近に管軸
高速流ができる．若し管内に扮粒体などを導入すればこ
の管中央部の管軸に沿う高速流に扮粒体が引き寄せられ
るので，その後はレデューサがなくても管軸付近で粉粒
体を輸送することができる。

重要なことは管内の中央付近に軸心に沿って流体とは別
異の細長の異物があることである．扮粒体などの波輸送
物がうまく管軸付近にあればこの流れは乱流化せずに長
＜ｌＩ続するが，管内の扮粒体の位置はコントロールす
ることができない。しかし管全域あるいは部分的に細長
の異物を固定してお《ことによって実現することができ
る．また，自由渦の形成のために第ｌ図に示すように管
路ｌに拡大管２とレデューサ１０を直管３で連結して組
合わせた装置を付設して流れ４を再構成することが長い
管路では必要となる．この場合に、レデューサＩＯを含
む管路内に、管軸心部に流体と別異の細長異物５、例え
ば線材を同心に固定しておく． ここで上流側の拡大管２の拡大角φは小さければ小さい
程よい．理由は正の半径方向流ｖｒが生じると流れの好
ましくない変化が起こるからである．レデューサＩＯの
レデューサ角αは１５°以下がよい． 第２図は管路ｌの曲管部における、第１図と同様の構成
の拡大管２とレデューサＩＯをベント管６で連結して組
合わせた装置である．これにより曲管部において乱流化
する流れ４を本発明の流れに再構成することができる．
この場合にも，レデューサｌＯを含む曲管管路内の管軸
心部に、流体と別異の細長異物５，例えば線材を同心に
固定しておく． 第３図は管路ｌ内に流体と別異の細長異物５を固定する
態様を示したもので、支持線７を用いて線材等を管軸位
置に固定する。

第４図は管路１の端部を例示したもので、管路ｌにレデ
ューサＩＯを接続し、これに流体供給管８および搬送材
料供給管９を取り付け，管軸部分に流体と別異の細長異
物５を配設している．［実施例１ 実施例ｌ 第１１図に示すような．内径６０ｍｍφ、長さ１０００
ｍｍＩ２の垂直円筒管ｌに、大径側内径１００ｍｍφ、
小径側内径６０ｍｍφ、長さ１００ｒｎｍβのレデュー
サ１０を取りつけ、その大径側にエア送入管３１．ブロ
ワ３２を取りつけて送風した。

垂直円筒管の出口側から３００ｍｍの位置に５μｍψの
タングクステン線３３から成る熱線風速計３４を挿入し
て管内流速の分布を測定しデータレコード３５に記録さ
せた。管内平均流速を口とし、測定時間０−Ｔにおける
流速Ｕの測定値から定義される乱流エネルギーｋを下記
（２８）式によりデータ処理装置にて算出した． ・・・・・・　（２８） 第１２図は、ＥＴ「／０の管半径方向分布を示したもの
である．乱流状態では乱流エネルギーｋは約１．８％で
あるのに対し、本発明の流動状態ではｋは約１．０％と
なった． このことから、本発明の流れは乱流が抑制されているこ
とが明らかである． 実施例２ 本発明の流れが圧力損失が少な《なることを示す実施例
を次に説明する． 管内径１００ｍｍφの直管３０ｍを敷設し，その入口側
にレデューサを取りつけ、この入口側および直管の他端
から５ｍの位置にそれぞれ圧力計を設け、空気を流送し
た。２個の圧力計の中間点における平均流速が２０ｍ／
ｓとなるような空気量を流したところ、乱流状懇におけ
る上記圧力計の圧力差は６５ｍｍＨ２０であったが，本
発明により、レデューサ部およびその後流に直径５ｍｍ
の円形断面の紐を流して乱流抑制を行ったところ同一の
流量において、前記圧力計の圧力差は３０ｍｍＨ２０と
なり，圧力損失が激減した。

実施例３ 次に、扮粒体の流送における管内の摩耗について説明す
る．第２図に示す曲管を管径５０ｍｍ、肉厚３　ｍ　ｍ
の管路に設け、この管路を用いて、比重４．６、粒径４
８メッシュ以下のクロマイトサンドを同気比３で輸送し
た． 曲管６は管径７５ｍｍ、肉厚３ｍｍのものを用いた。

この管路に上記搬送物を連続輸送したところ、従来の乱
流状態で送った場合には７日で曲管６に孔があいた．本
発明の流動状態で流送したところ１カ月使用後における
厚肉な超音波厚み計で測定したところ、肉厚３ｍｍから
の誤差はＺｍｍ以下であった． すなわち、本発明の流れでは扮粒体は管の軸心に沿って
流送されるので、管壁は摩耗を起こさないことがわかる
。

［発明の効果］ 本発明によれば高Ｒｅ領域で乱流を抑制することができ
、エネルギーロスが少なくなる。また被輸送物を管軸付
近に集中して輸送することができるので、管の浸食や摩
耗がほとんどなくなる．

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の１実施例の側面図、第２図は曲管部の
実施例の側面図、第３図は管路の途中の実施態様図、第
４図は実施例の管路の入口近傍の縦断面図、第５図はレ
デューサの作用の説明図、第６図、第７図は管内流動の
パターンを示す説明図、第８図、第９図は本発明の流動
状態を説明するグラフ、第１０図は本発明の流動状態を
説明する管路の模式図、第１１図は実施例装置の構成図
、第１２図は流速分布を示すグラフである．１・・・管
路 ２・・・拡大管 ３・・・短管 ４・・・流体 ５・・・細長の異物 ６・・・曲管 ７・・・支持線 ８・・・流体入口管 ９・・・搬送物供給口 １０・・・レデューサ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　管路にレデューサを設け、該レデューサ内軸心位置
   および／または該レデューサ出側の管内軸心位置に該管
   路を流れる流体と別異の細長の異物を同心に固定し、レ
   イノルズ数 ２３００以上の領域で該管路内流体の乱流を抑制するこ
   とを特徴とする管路内流体乱流抑制方法。 ２　流体と別異の細長の異物を管路内全域または一部の
   管軸位置に同心に配設した請求項１記載の管路内流体乱
   流抑制方法。 ３　粉粒状の輸送物を管路に導入し該管路の軸心位置付
   近を流動させて輸送または処理する請求項１または２記
   載の管路内流体乱流抑制方法。