JPH0327861B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、２種の流体を混合させて観察しよう
とする２流体の混合状態を形成し、その流れの任
意個所における混合流体の瞬間的な混合に関する
情報即ち体積濃度を非接触状態下に測定する方法
に関する。

（従来の技術） 従来、水流モデルにおいて濃度に関する情報を
測定する方法としては、流体の一部を抽出するサ
ンプリング法と、流れ場を作り出す混合流体の一
方の流体に塩水を使用して塩分濃度の変化を電気
伝導度の変化として測定する電気的測定法とがあ
る。

（発明が解決しようとする課題） しかし、これらの濃度測定法は、いずれも流れ
場内に抽出管あるいはセンサを設置しなければな
らない接触型のため、流体の流れを実際のものと
異なるものに変えてしまう問題がある。また、サ
ンプリング法においては、瞬間々々の濃度変化を
測定できず、平均化されたものとして把えるしか
なく、測定精度が低下するという欠点がある。ま
た、電気的測定法においては、濃度変化を電気的
にしか把持することができず、併せて流れの現象
を目視観察することができない。斯様に、水流モ
デルにおいて非接触状態下で瞬間的な濃度を精確
に測定する方法、殊に流れの現象を併せて目視観
察できる方法は従来から存在しなかつた。尚、流
れ全域の動向を一目で観察できる可視化法として
数個単位の比較的大きな気泡をトレーサに用いる
気泡式トレーサ法が古くから使用されているが、
この方法は微細かつ均質な気泡を流体に密に含ま
せ得ないため定量化できないので濃度測定には従
来から使用されていない。

本発明は、気泡をトレーサとして用い、水流モ
デルにおいて非接触状態下に流れ場の任意個所の
瞬間的な体積濃度を測定し得る方法を提供するこ
とを目的とする。

（課題を解決するための手段） 斯かる目的を達成するため、本発明は、微細か
つ均質な気泡を大量に含む水流と前記気泡を含ま
ない水流とで水槽内に測定対象たる流れ場を再現
し、この流れ場にスリツト光をあてて任意断面に
おける流れを前記気泡でのスリツト光の乱反射に
より可視化する一方、単位体積中における前記微
細気泡の数密度に比例する散乱光の強度を任意の
点において測定し、この散乱光強度と前記水槽の
水流噴き出し口付近の散乱光強度とを比較して前
記微細気泡の数密度と一定の関係にある体積濃度
を求めるようにしたものである。

（実施例） 以下本発明を図面に示す装置に基づいて詳細に
説明する。

第１図に本発明方法を実施する水流モデル可視
化装置を概略図で示す。この可視化装置は、可視
化しようとする流れ場を再現するモデル水槽（以
下水槽と略称する）１と、この水槽１に気泡４を
混入させた流体例えば水と気泡を含まない水を供
給する流体供給ユニツト２及び水槽１内の流れ場
にスリツト光５を照射するスリツト光源３とから
主に構成されている。この可視化装置において、
水槽１の底面から流入した流体は、水槽１内にお
いて例えば水槽１内の気泡４を含まない流体との
間で流れ場を形成したのち水槽１の上方の排水口
６から図示しない排水管を通じて排水される。排
水は気泡以外の異物を含んでおらず又気泡も一部
を除いて大部分が再び水に溶け込んでしまうた
め、何らの処理を施すことなくそのまま排水して
もよいし、そのままの状態で再使用することも可
能である。尚、流体を水槽１の上方から導入し底
面から排水することも、また側壁から導入するこ
ともある。

ここで、前記水槽１に流体・水を供給する流体
供給ユニツト２は、図示しない圧力水供給源と水
槽１の流体噴出口７とを結ぶ管路８の途中に設け
られたオリフイス９とから成り、オリフイス９部
分における局所的減圧作用に伴う脱気現象によつ
て圧送される流体中に固溶されている空気を気泡
４として流体中に出現させ、気泡４を大量に含ん
だ流体として供給するものである。

オリフイス９は、直径３mm以下の小孔を少なく
とも１つ穿孔したものである。オリフイス９の小
孔の径と発生気泡４の直径及び均質性とには密接
な関連性があり、小孔直径が３mmを越えると、発
生気泡４が極めて不均質となり精密な測定や定量
測定に適さなくなる。一般に気泡をトレーサとし
て使用する場合、流れへの追随性不良による誤差
及び浮力による誤差を考慮すれば、可視化による
最適な気泡直径は0.06〜0.2mmの範囲であること
が好ましく、更に気泡４の水中への再溶解が早期
に起こらないような条件を鑑みれば0.1mm前後が
最も好ましい。そこで、オリフイス９の径と発生
気泡４の粒径割合との関係を求めた本発明者等の
実験結果（第３図）によると、直径３mmのオリフ
イス９では可視化に最適な直径0.2mm以下の気泡
４が70％程度を占めその平均直径は0.113mmであ
つて概ね均質なものであるが、直径４mmのオリフ
イス９になると直径0.2mm以下の気泡が30％程度
と低く不均質となる。この実験結果から好ましい
オリフイス径は、φ1.5mm以下であり、最も好まし
くはφ0.8mm以下φ0.5mm以上である。直径0.5mm未
満のオリフイス９を除いたのは流体中の塵で目詰
りを起こし却つて気泡発生が不安定となるからで
あり、上流に効果的なフイルタを設置して塵を完
全に除去できるのであれば0.5mm未満の直径でも
良い。第３図の実験結果によると、オリフイス径
0.8mmで９Kg／cm²の圧力を加えた場合、直径
0.0781〜0.2106mmの範囲の気泡４が発生している
ことが拡大写真をマイクロスコープで測定するこ
とにより確認された。そして、そのときの気泡の
平均直径はほぼ0.1mmで可視化範囲の中で最も好
ましい気泡径といえる。そして、この程度の大き
さの気泡が再溶解開始までの時間は約250秒であ
り、これまでに測定を完了させれば気泡数密度と
混合流体の体積濃度との間の一定の関係は成立す
る。ここで、流量を増加する場合には、オリフイ
ス９の小孔をふやして発生気泡を増量することに
より流体中に含まれる気泡の含有率を一定にでき
る。尚、気泡が大量に密な含まれるといつても、
元来水中に溶解している空気を脱気現象によつて
出現させるのであるから、散乱光の集合によつて
可視化された画像を見ると気泡で埋めつくされて
いるように見えるが、水に対し１〜1.9％程度の
非常に微細化された気泡が存在するにしか過ぎな
い。例えば、水の空気含有量は、常温の水に、空
気は体積で約1.9％程度溶解している。この量は
温度や圧力によつて変化するが一定の関係を有す
る。したがつて、全ての溶存空気が放出されたと
した場合、液中に占める気体容積の割合は1.9％
となる（山崎、キヤビテーシヨン工学、日刊工業
新聞社ｐ、70、昭和53年）。

また、液容積に占める気体容積の割合は、直径
0.1mm（半径ｒ＝0.05mm）の容積ｖの気体として
仮に溶解空気のすべて1.9％が放出された時の10
mm³（１c.c.）辺りの発生気泡個数をＮを求めると Ｎ＝0.019・10³／Ｖ ＝0.019・10³／（４／3π0.05³） ＝362873個 実際の測定によれば概略ではあるが数千個から
一万個程度であるので1.9％の1/36すなわち0.05
％が体積濃度測定のときの液中に占めるトレーサ
気体容積であり、極めて微量であることが推察さ
れる。

また、水槽１は、本実施例の場合、アクリル樹
脂やガラス等の透光性材料によつて横断面方形の
角筒形に形成されており、上方に排水口６を底面
に水流噴出口７を有する。この水槽１は、ノズル
やバーナ等の水流モデルの場合には流れ場を形成
するための容器に過ぎないが、フアーネス内の流
体の流れを可視化する場合等にはそれ自体がモデ
ルの一部として使用される。したがつて、水槽１
の形状は図示されているものに限られず、円筒や
エルボ管形等の必要に応じた種々の形状を採り得
る。また、水槽底面の水流噴出口７には観察しよ
うとする流れ場を再現するモデル例えばノズルモ
デルやバーナモデル１０等が一般に取付けられ
る。もつとも、モデルを水流噴出口７から離して
水槽１内に設置し、水流噴出口７においては流れ
に何ら変化を与えない場合もある。本実施例の場
合、バーナノズルモデル１０とバーナタイルモデ
ル１１とが設置され、燃料と空気の混合状態、そ
の割合などを測定するため、バーナノズルモデル
１０からは気泡４が混入された流体（燃料に相当
する）を噴出させると共にその周囲からは気泡が
混入されていない流体（二次空気に相当する）を
噴出させてバーナタイルモデル１１内で両者を混
合させるように設けられている。勿論、この水流
噴出口７の個数及び位置は図示のものに限られな
い。例えば、フアーネスに複数のバーナを設置す
る場合の水流モデルのときにはバーナの配置位置
が熱分布に与える影響を水流モデルを使用して観
察する場合があるからである。尚、本実施例の水
槽１は周壁全面を透光性材料で形成していること
から、観察者ないし観察機器に対向する面が観察
窓に相当し、スリツト光源３に対向する面が入射
光窓に相当する。しかし、水槽１は全周壁面を透
光性材料で形成する必要はなく、少なくとも観察
窓と入射光窓がそうであれば足りる。この観察窓
と入射光窓は、スリツト光５の入射方向と90〜
145度の角度の位置で最適の乱反射が得られるこ
とからその範囲に位置させておけば良く、水槽１
を円筒型に形成する場合には周壁の90〜145度の
範囲を透光材料で形成することにより代えること
ができる。尚、観察窓と入射光窓を除く他の周壁
面（底面を含む）を光吸収体で形成すれば、観察
室内の照明を落とさずとも気泡のみが散乱光によ
つて目立つので観察が容易である。ここで、光吸
収体とは水槽１の内面のみを黒色に着色したもの
でも良い。更に、流れ場の状態を流れ方向と直交
する面即ち輪切りにして観察する場合には、流れ
場を横切るスリツト光５に対して90〜145度の範
囲とは水槽１の天井・上方となる。したがつて、
この場合には水槽１の上方に観察者ないし観察機
器を設置する。

更に水槽１内にスリツト光５を照射するスリツ
ト光源３は、公知のいかなる手段でもよい。例え
ば、スライド映写機にスリツトを入れた板を插し
込みスリツト光を得るようにしても良い。この場
合、スリツトの切込み方向を変えた幾枚かのスリ
ツト板を用意することにより流れの任意の断面を
透過するスリツト光５を得ることができる。スリ
ツト光５は気泡４に当たつて乱反射するが、その
散乱光は光が入射した方向から90〜145度の範囲
で最もよく検出される特性を有している。尚、気
泡４の径が充分微細かつ均一であるとすれば、散
乱光の強度は単位体積中の気泡個数即ち気泡数密
度に比例すると考えられ、更に単位体積中の気泡
数密度と体積濃度との間には一定の関係が存在す
ることから、それは散乱光の強度が体積濃度に対
応することを意味している。即ち、気泡を含む流
体（ａ流体）と気泡を含まない流体（ｂ流体）と
の２つの流体が混合したとき、気泡を含むａ流体
の混合流体に対する対積濃度Vaは、 Va＝Qa／（Qa＋Qb）で表される。

但し、Qaはａ流体の体積、 Qbはｂ流体の体積である。

そして、混合する前のａ流体に含まれている気
泡数をＮとし、そのときの気泡数密度即ち初期気
泡密度をρ_Nとすると、 ρ_N＝Ｎ／Qa で表され、気泡を全く含まないｂ流体との混合に
よつて気泡数密度ρ_oは ρ_o＝Ｎ／（Qa＋Qb） となる。そして、この関係は ρ_o＝Ｎ／（Qa＋Qb） ＝ρ_N・Qa／（Qa＋Qb）＝ρ_N・Va で表される。つまり、ａ流体の体積濃度Vaは混
合前の初期数密度ρ_Nと被測定域の気泡数密度ρ_oと
の比（ρ_o／ρ_N）で求められる。そして、この気泡
数密度は単位体積あたりの気泡数であるから、気
泡数を測定すれば求められる。ここで、直径ｄの
気泡が水中に存在しそれに光が照射されたとき、
散乱光が生じる。散乱光は反射光や屈折光、回折
光などが合成されたものである。いま強度Ｊの入
射光に対し角度θ方向の散乱光強度ｉを ｉ＝ｉ（ｄ、θ、Ｊ） とすると単位体積中にｎ個気泡が存在するときの
散乱光強度Ｉは相互干渉があるとしてもniに近い
値であると考えられる。

Ｉ≒ni したがつて、気泡の直径ｄが均一で、散乱光角
度（散乱光の撮像位置）θと入射光の強さＪが一
定である場合、即ち測定条件が一定の場合には散
乱光強度から気泡個数が求まる。よつて、噴射直
後の混合前のａ流体の散乱光強度と任意の測定点
における散乱光強度とを測定し、それらを比較す
れば測定点におけるａ流体の体積濃度が求まる。

そこで、まず、圧力水供給源から水槽１に向け
て流体を圧送する際に、オリフイス９における局
所的減圧作用に伴なう脱気現象によつて流体内に
溶解されている空気を可視化に最適な微細かつ均
質な気泡として流体中に密に出現させる。そし
て、この微細かつ均質な気泡を密な含んだ流体で
水槽１内に所望の流れ場を再現する。そこへ、ス
リツト光５を照射すると、スリツト光５が気泡４
によつて乱反射し散乱するので、水流中における
気泡４の存在が第４図に示すように火の粉の如く
明瞭に表われ流れを可視化する。このとき、極め
て微細で均一な気泡の集団から得られる散乱光
は、光の集団となりその強度は単位体積中の気泡
個数即気泡密度数に比例すると考えられ、更に気
泡数密度と体積濃度には一定の関係があることか
らそれは散乱光の強度が体積濃度を表わしている
と考えられる。即ち、気泡の混合流体中における
粗密状態即ち体積濃度を散乱光の強度という観点
から目視観察できる。

例えば、この水槽１内の流れは、第２図に示す
ように、水槽全面のTVカメラ２０で撮影されて
モニタテレビ２１のブラウン管に映し出される。
そして、ブラウン管上の任意の点における体積濃
度の変化即ち散乱光の変化がブラウン管上のフオ
トセンサ２２によつて測定され電気的信号例えば
電圧の変化として検出される。この測定電圧は、
フイルタ２３を通してモニタテレビ２１の画面の
スキヤン信号が除去された後、トランジエントレ
コーダ２４からオシロスコープ２５又はXYレコ
ーダ２６へ出力され、測定点における体積濃度の
変化と一定の関係を有する散乱光の変化が測定な
いし記録される。ここで、混合流体中における一
方の流体の割合即ち体積濃度は、散乱光の強度が
単位体積中の気泡個数即ち気泡密度に比例し且つ
それが混合が進むにつれて減少することから、気
泡を含む流体が気泡数を含まない他の流体と混わ
る前の流体噴出口における散乱光の明るさを基準
にして算出することができる。つまり、任意の点
における濃度はその点における測定電圧を基準電
圧で除することにより求められる。

測定位置の変更は、モニタテレビ２１のブラウ
ン管上のフオトセンサ２２を移動させることによ
つても行ない得るが、ブラウン管の中央が周辺よ
りも安定かつ明るい輝度を得ることができるの
で、フオトセンサ２２の位置を固定したままTV
カメラ２０をトラバース（図示省略）にて微動さ
せることにより撮影個所を変更する方が好まし
い。尚、ブラウン管上における散乱光の輝度測定
に際しては、測定領域中もつとも暗い部分でも微
小出力例えば３ｍＶ程度を示すように、またもつ
とも明るい部分が測定レンジの最大値近くになる
ようにモニタの調整を行なう必要がある。

また、散乱光の測定は、水槽１内に流れ場を再
現するのと同時進行させる必要はない。水槽１内
に再現された流れ場をTVカメラ２０で撮影して
図示しないビデオ装置に録画しており、これをモ
ニタテレビ２１に映し出すことにより何度も測定
ができる。しかも、狭く複雑な流れ場であつてセ
ンサを設置することが従来不可能な処でも、撮影
する際にズームアツプすることによりフオトセン
サ２２の相対的小形化を図れば測定が可能とな
る。ここで、フオトセンサ２２は、光学的信号を
電気的信号に変換するもので、本実施例の場合フ
オトダイオードが使用されているがこれに限られ
ない。

モニタテレビ２１のブラウン管の輝度変化から
フオトセンサ２２を通して得られた各測定点にお
ける体積濃度からは、コンピユータを利用して成
る燃焼モデルに対応させることにより、燃料と空
気の混合割合を算出すれば、燃焼温度やCO量、
O₂量等の分布状態を三次元モデル化できる。

（発明の効果） 以上の説明より明らかなように、本発明の体積
濃度測定方法は、微細かつ均質な気泡を大量に含
む水流と前記気泡を含まない水流とで水槽内に測
定対象たる流れ場を再現し、この流れ場にスリツ
ト光をあてて任意断面における流れを前記気泡で
のスリツト光の乱反射により可視化する一方、単
位体積中における前記微細気泡の数密度に比例す
る散乱光の強度を任意の点において測定し、この
散乱光強度と前記水槽の水流噴き出し口付近の散
乱光強度とを比較して前記微細気泡の数密度と一
定の関係にある体積濃度を求めるので、非接触状
態下に瞬間的体積濃度を測定できる。つまり、本
測定方法によれば、流れを変えることなく精確に
体積濃度測定ができる。しかも、本測定方法は、
気泡を含む流体で流れ場を形成し、これにスリツ
ト光を当てて任意断面における流れの可視化を図
つているので、体積濃度測定と同時に定性的測定
も可能であるし、散乱光の強弱によつて流れ全域
における体積濃度変化が一目で観察できる。ま
た、本測定方法は、流れ場をTVカメラで撮影
し、モニタテレビに映し出してからフオトセンサ
で測定するようにしているので、流れ場の任意の
場所を任意の大きさに拡大して測定できると共に
ビデオ装置に録画しておけば実際の水流実験を行
なわずともいつでも測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る水流モデルにおける濃度
測定方法を実施する装置のうち可視化装置部分の
概略図、第２図は同じく濃度測定装置部分の概略
図、第３図はオリフイス径と気泡粒径割合との関
係を求めた実験結果を示すグラフ、第４図は可視
化された流れ場を示す説明図である。 １……水槽、３……スリツト光源、４……気
泡、５……スリツト光、８……管路、９……オリ
フイス、２０……TVカメラ、２１……モニタテ
レビ、２２……フオトセンサ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 微細かつ均質な気泡を大量に含む水流と前記
   気泡を含まない水流とで水槽内に測定対象たる流
   れ場を再現し、この流れ場にスリツト光をあてて
   任意断面における流れを前記気泡でのスリツト光
   の乱反射により可視化する一方、単位体積中にお
   ける前記微細気泡の数密度に比例する散乱光の強
   度を任意の点において測定し、この散乱光強度と
   前記水槽の水流噴き出し口付近の散乱光強度とを
   比較して前記微細気泡の数密度と一定の関係にあ
   る体積濃度を求めることを特徴とする水流モデル
   における濃度測定方法。