JPH0378572B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、流体の流れの可視化を図る装置に関
する 従来から、バーナやこれを設置したフアーネス
等の燃焼装置類の設計・施工に際しては、燃料と
空気の混合の適否その割合、渦流の発生の有無な
どを事前に知ることが最適な燃焼効率、燃焼温度
及び炉内における温度分布等を得る上で重要なこ
とから、燃料及び空気若しくは火炎の流れを水流
に置き換えて流体実験することが行なわれてい
る。勿論、バーナ等の燃焼系の他、水管内におけ
る渦流の発生、乱流の有無等を知るためにも流体
の流れを実験装置において可視化することが行な
われている。

流体の流れを可視化するものとしては、塗膜
法、タフト法、トレーサ法、化学反応法、電気制
御法及び光学的方法があるが、簡便にして流れ全
域の動向を一目で観察できるものとしてトレーサ
法が多く使用される。このトレーサ法において
も、トレーサとして空気泡を使用する方法、イン
ク等の染料液を使用する方法及びプラスチツクス
等の粉末を使用する方法があるが、中でも空気泡
をトレーサとする方法は流れを汚さないことから
極めて簡便で使用し易い。染料液トレーサ法は観
測窓を汚し易い上に染料液が拡散し易いために流
速1m／ｓ以下の層流に限定されるし、粉末トレ
ーサ法は長時間安定供給するための大量のトレー
サを準備したりトレーサを分離・捕集する装置が
必要なためにコスト高となる欠点を夫々有し、且
ついずれも複雑な流れは視認できなかつた。

しかし、従来の空気泡を用いたトレーサ法にあ
つては、微細でかつ均質な気泡を大量かつ密に安
定供給する手段が存在しなかつたため、大量に気
泡を得ようとしても不均質な気泡しか得られずに
比重差に因る誤差が大きく定量的な解析には利用
できない欠点がある。また、この従来の空気泡ト
レーサ法にあつては、水流への気泡の混入によつ
て流体の流れ状態を定性的に把握できるが、これ
も流れの外観を観察するものであるので精確でな
く、シユミユレータとしては次元の低いものであ
る。そこで、微細でかつ均質な気泡を大量かつ密
に安定供給する技術、例えば流量が50／minか
ら500／minと変動するときも一定比率で均質
な気泡を密に安定させて含ませる技術並びに任意
のセクシヨンにおける流体の流れを可視化できる
装置が望まれる。

本発明は、上述の要望に応えるもので、流れ現
象を可視化する定性的な測定は勿論のこと濃度測
定や流速測定にも応用できる流れの可視化装置を
提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明は、排水口
と水流噴出口を有すと共に少なくとも透光性の観
察窓と入射光窓を周壁に形成して成るモデル水槽
と、前記モデル水槽内にスリツト光を照射するス
リツト光源と、前記モデル水槽の水流噴出口に接
続される管路の途中に直径３mm以下の小孔を少な
くとも１つ穿孔したオリフイスを設置すると共に
その上流側の圧力水供給源から所定圧力の流体を
供給する流体供給ユニツトとから構成し、前記オ
リフイス通過時の局所的圧力低下に伴う脱気現象
で発生する微細かつ均質な気泡を多量に含む水流
を前記モデル水槽に供給して流れ場を構成し、そ
れにスリツト光を照射して前記気泡群で乱反射さ
せて任意断面における流れを散乱光の集団・分布
から成る面画像として可視化するようにしてい
る。

以下本発明の構成を図面に示す実施例に基づい
て詳細に説明する。

第１図に本発明に係る流れの可視化装置を概略
図で示す。該可視化装置は、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・水を例えば底面から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内において流れ場を再現した
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。

前記水槽１は、本実施例の場合、第２図に示す
ように、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、管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８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８とバーナタイルモデル９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８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（二次元空気に相当する）を噴出させ
てバーナタイルモデル９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１０
に相当し、スリツト光源３に対向する面が入射光
窓１１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１０と入射光窓１１がそうであれば足りる。
この観察窓１０と入射光窓１１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度の範囲を透孔材料で形成すること
により変えることができる。尚、観察窓１０と入
射光窓１１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
ば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。

前記水槽１に流体を供給する流体供給ユニツト
２は、圧力水供給源（図示省略）と水槽１を結ぶ
管路１２の途中にオリフイス１３を設け、圧力水
供給源からの圧力水をオリフイス１３部分におけ
る局所的な減圧時の脱気現象によつて流体中に固
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を含んだ流体・水として供給するもの
である。オリフス１３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
１３の径と発生気泡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ーと
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の水中への溶け込みが
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１３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４図）によると、直径３mmの
オリフイス１３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１３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１３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４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
視化最囲の中で最も好ましい気泡径といえる。し
たがつて、このオリフイス１３において発生する
気泡４を使用した水流トレース法は、誤差の少な
い定性的測定を実現できる。ここで、流量を増加
する場合には、オリフイス１３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、一つの流体の
流れを可視化する場合には流体噴出口７から気泡
４を含んだ流体だけを供給すれば良いが、二つの
流体が混わる流れ場を可視化する場合には前述し
た如く気泡を含まない流体を所定流速で供給する
ことが必要であるので、管路１２にはオリフイス
１３を設置しないものもある。

前記水槽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一様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、それは散乱光の強度が濃
度に対応することを意味する。

以上ように構成した本発明の可視化装置によれ
ば、流体を水槽１に向けて圧送するだけで流体内
に固溶されている空気がオリフイス１３部分にお
ける局所的減圧作用によつて脱気され、可視化に
最適な微細かつ均質な気泡４となつて流体中に連
続的に出現するので、微細かつ均質な気泡４を密
に含む流体を必要なだけ安定供給して水槽１内に
可視流れ場を作り出すことができる。また、流れ
場にスリツト光５を照射して気泡４に乱反射させ
ることにより任意断面における流れを抽出して可
視化できるようにしたので、流れ場の外輪しか観
察できなかつた従来の可視化装置と異なり流れの
現象を精確に知ることができる。しかも、微細か
つ均質な気泡４を密に含む流体で流れ場を形成し
かつスリツト光の乱反射によつて可視化したの
で、第３図に示すように火の粉が舞うような感じ
で明瞭に流れの現象を観察できるし、気泡４の粗
密に伴う散乱光の強弱によつて濃度も目視観察で
きる。

以上のように構成された本発明の可視化装置を
燃焼器の水流モデルにおける濃度測定装置に応用
した例を第５図に示す。

この濃度測定装置は、気泡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
気泡個数即ち気泡密度数に比例すると考えられ、
それは散乱光の強度が濃度に対応することを意味
するという知見に基づいて構成されたものであ
る。

即ち、スリツト光５の乱反射によつて可視化さ
れた任意のセクシヨンにおける流れ場をTVカメ
ラ２０で撮影し、これを更に必要に応じてズーム
アツプしてモニターテレビ２１のブラウン管に移
し出し、ブラウン管上に設置したフオトセンサ２
２によつて光の強弱即ち濃度の粗密を電気的信号
に変換してから、これをフイルタ２３に通して画
面のスキヤン信号を除去した後にトランジエント
レコーダ２４からオシロスコープ２５又はXYレ
コーダ２６へ出力し、測定ないし記録できるよう
にしたものである。尚、この測定に際しては、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なるようにモニタの
調整を行なう必要がある。また、測定位置の変更
は、ブラウン管上のフオトセンサ２２を移動させ
るか、あるいはトラバース（図示省略）にてカメ
ラ２０を微動させることにより行なう。

ここで、濃度は、散乱光の明るさの変動量と濃
度変動量とが相似関係にあるという知見、即ち混
合状態にある二流体において気泡を含まない流体
の割合が高くなるにつれて単位体積中の気泡量が
減少し明るさを失うという知見に基づき、バーナ
モデル８の出口の明るさを電気的に変換して得ら
れる電圧を基準電圧とし（濃度100％に相当）、こ
の基準電圧で二流体が混合している測定個所の散
乱光の明るさから得られる測定電圧を除すること
により求められる。

更に、コンピユータを利用してあらかじめ定め
られた測定個所における濃度を測定することによ
り、ある燃焼モデルに従えばこれから求められる
燃料と空気の混合割合から燃焼温度やCO量、O₂
量等の分布状態を三次元モデルすることもでき
る。

また、第６図に本発明の可視化装置を燃焼器の
速度測定水流モデルに応用した例を示す。

該装置は、気泡式トレーサ法において一つの気
泡４を特定してその気泡４が所定距離Ｌを移動す
る時間を測定することは事実上不可能であるが、
一定濃度の気泡群が移動する時間は接近する二点
のフオトセンサにおいて測定する濃度変化の時間
的ずれとして把えることができるとの知見に基づ
き、前述の濃度測定装置のブラウン管上に更にも
う一つのフオトセンサ２７を設け、近接する二つ
のフオトセンサ２２，２７間を移動する気泡群の
移動時間を検出することにより速度を求めるもの
である。尚、第６図において、符号２８はコンピ
ユータ、２９はデイスプレイ、３０はプリンタで
ある。

以上のように、本発明に係る可視化装置は、流
れへの追随性不良による誤差及び浮力による誤差
を無視できる微細かつ均質な気泡４を含む流体で
流れ場を再現してこの流れ場の任意個所にスリツ
ト光５を照射して散乱光による可視化を行ない気
泡４の分散・集合・移動状態を散乱光の強弱とし
て把握できるので、濃度測定や速度測定に応用で
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流れの可視化装置の概略
図、第２図はモデル水槽の横断平面図、第３図は
可視化された流れ場を示す説明図、第４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５図は本発明に係る可視化装
置を利用した濃度測定装置の概略図、第６図は本
発明に係る可視化装置を利用した速度測定装置の
概略図、第７図は同装置によつて測定された濃度
変化の位相を示すグラフである。 １……水槽、２……圧力水供給ユニツト、３…
…スリツト光源、４……気泡、５……スリツト
光、６……排水口、７……流体噴出口、１０……
観察窓、１１……入射光窓、１２……管路、１３
……スリツト。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 排水口と水流噴出口を有すと共に少なくとも
   透光性の観察窓と入射光窓を周壁に形成して成る
   モデル水槽と、前記モデル水槽内にスリツト光を
   照射するスリツト光源と、前記モデル水槽の水流
   噴出口に接続される管路の途中に直径３mm以下の
   小孔を少なくとも１つ穿孔したオリフイスを設置
   すると共にその上流側の圧力水供給源から所定圧
   力の流体を供給する流体供給ユニツトとから成
   り、前記オリフイス通過時の局所的圧力低下に伴
   う脱気現象で発生する微細かつ均質な気泡を多量
   に含む水流を前記モデル水槽に供給して流れ場を
   構成し、それにスリツト光を照射して前記気泡群
   で乱反射させて任意断面における流れを散乱光の
   集団・分布から成る面画像として可視化すること
   を特徴とする流れの可視化装置。 ２ 前記モデル水槽の観察窓と入射光窓を除いた
   周壁を光吸収体としたことを特徴とする特許請求
   の範囲第１項に記載の流れの可視化装置。 ３ 前記流体供給ユニツトの圧力水供給源から
   は、6.8Kg／cm²Ｇ〜9.6Kg／cm²Ｇの圧力で流体が供
   給されることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   に記載の流れの可視化装置。