JPH0445100B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はキヤビテーシヨンの核の濃度を測定す
る装置に関する。

［従来の技術］ 流体力学において「キヤビテーシヨン」と称さ
れる現象がある。これは、液体の流れのある部分
の圧力が蒸気圧以下になるとその流れの中に水蒸
気ほうが発生して急速に成長し、その後に続く圧
力の上昇によりその気ほうが内破して崩壊し突然
消滅するか又はその気ほうが壁面に付着して気ほ
うの体積を増大して空洞を形成する現象である。
このキヤビテーシヨン、すなわち、気ほうの発生
及び崩壊は水力機械にとつて重要な現象であり、
例えば、船舶のプロペラの最大推進力を制限する
要因となる。

液体の流れの作用（性質）は、圧力が負の値で
減少するとき、液体中のキヤビテーシヨンの核
（cavitation nuclei）の数及び性質に強く依存し
ている。換言すると、液体の圧力が所定の値まで
減少したときに現われる気ほうの数は、キヤビテ
ーシヨンの核の数及び性質に依存するということ
である。又、所定の数の水蒸気ほうを生起する低
圧力値は、キヤビテーシヨンの核の数及び性質に
強く依存するということでもある。

本明細書中、液体中のキヤビテーシヨンの核
（以後、核（nuclei）と称する）は、液体中の圧
力が減少するときに水蒸気ほうが現れて成長する
ことを助ける非常に小さい固体粒子（solid
particles）又は非常に小さい気ほう（air
bubbles）或いは微視泡（microbubbles）を意味
する。

液体中の圧力が十分に低くなると、核に接触し
て水蒸気ほうが現われる。現われた水蒸気ほう
は、その後圧力が十分に低ければ成長する。しか
し、圧力が再上昇すると水蒸気ほうは内破
（implode）、即ち短時間で崩壊（collapse）する。

水蒸気ほうは金属壁面のような固体壁面に接触
して内破するときに局所的に固体壁面を損傷す
る。

全行程（即ち、気ほうが現われ、成長し、そし
て崩壊すること）で、キヤビテイ（空洞）のよう
に大きな水蒸気ほうが形成されるので、その行程
はキヤビテーシヨン行程と呼ばれる。

上記キヤビテーシヨン行程に現われる水蒸気ほ
うの数は、実験で使われる液体中の核の数に大き
く依存するので、液体１立方センチメートル当た
りの核の数、即ち液体中の核の濃度を事前に測定
する必要がある。

幾つかの実際の状況下、例えば実験室でプロペ
ラをテストするとき等では、使用する液体の臨界
圧における核の濃度を測定する必要がある。

一般に核の濃度は、累加される濃度を、低下す
る臨界圧の関数として示すヒストグラムで表され
る。

現時点では、液体中の核の濃度は２種類の方法
を用いて測定される。

その１つとして、核の性質が知られているとき
に用いられる非キヤビテーテイング法（non
cavitating methods）と称する方法がある。

非キヤビテーテイング法（non cavitating
methods）は、例として、ガスの微視泡により形
成された核の数及び直径を測定する。

測定は、液体の圧力を減少せずに、即ち核から
水蒸気ほうを生起することなしに、光学的又は電
気的手段等によつて行われる。

上記の電気的手段としてはホログラフイ、クー
ルター（Coulter）等、又、光学的手段としては
光拡散がある。

対照的に、キヤビテーテイング法（cavitating
methods）は、まず最初に液体の圧力を減少し、
水蒸気ほうを生起するために圧力が十分減少した
か否かを知るための測定を行う。

上記のキヤビテーテイング法では、液体は高速
度でベンチユリ（例えば、ベンチユリ管）を通り
抜けるように設定される。

従来のベンチユリ管は、のど部につながる先細
部分及びのど部に続く末広部分を備えており、流
路断面は全体にわたつて円形であり、のど部分が
最小の内径を有する。

従つて、可調整最小圧力Pt（以後、圧力Ptと称
する）のゾーンは、ベンチユリ管ののど部におい
て生起され、この生起された圧力Ptは液体の蒸
気圧よりも小さいこともある。

核がベンチユリ管を通過する間、核の臨界圧
Psが圧力Ptより大きいか又は小さいかによつて、
気ほうを発生すべく核が励起されたり励起されな
かつたりする。

圧力Ptは、ベンチユリ管内を通過する液体の
流量を変えることにより変化させることができ、
従つて、異なる臨界圧Psを有する種々の核を液
体の流量を変化させることにより励起させること
ができる。その結果、励起した核を検出及び計数
することにより、そして圧力Pt及び液体の流量
を測定することによつて、測定すべき核の集団を
表わすヒストグラムが形成可能になる。

上記のキヤビテーテイング法は、特に下記に示
す文献に開示されている。

オー・エヌ・アール シンポジウム（O.N.R.
Symposium）、ミシガン大学（アン・アーバー）
（University of Michigan、Ann Arbor）、1981
年、ワイ・ルコフル（Y.Lecoffre）及びジエ
ー・ピー・ルゴフ（J.P.Legoff）の発表論文「核
とキヤビテーテーシヨン（Nuclei and
Cavitation）」、及びエー・アイ・アール・エイチ
会報（A.I.R.H.Bulletin）、アムステルダム、
1982年、ルコフル、マルコス、バリブーズ
（Lecoffre Marcoz、Valibouze）共著、「テスト
装置によるキヤビテーシヨン核制御の実際的観点
（Aspects Pratique du controle de germes de
cavitation en moyens dessais）」。

本発明のキヤビテーシヨンの核の濃度を測定す
る装置では、上述のキヤビテーテイング方法を用
いる。

［発明が解決しようとする課題］ キヤビテーテイング法を用いた従来のキヤビテ
ーシヨンの核の濃度を測定する装置には、ベンチ
ユリ管ののど部で発生する気ほうとのど部を流れ
る液体とが互いに干渉し合う相互作用が存在して
いる。すなわち、発生した気ほうの数及び気ほう
の成長による体積の変化につれてのど部を流れる
液体の圧力が変化し、液体の流量が一定であれ
ば、のど部を流れる液体の圧力は時間と共に変化
する。この変化は、核の濃度が高い場合又はのど
部を流れる液体の圧力が低い場合に著しく、核の
濃度の測定精度を低下させる。

又、のど部で発生する気ほうはベンチユリ管の
所定断面内で成長し得るため、気ほう１個当りの
体積が増大し、気ほうの発生数が制限される。従
つて、測定し得る核の濃度も１cm³当り数個に制限
され、それ以上の核の濃度の測定は不可能であつ
た。

更に、ベンチユリ管は製作が難しくかつ信頼性
に関して深刻な問題を伴うことがある。より詳細
には、信頼できる測定を得るためにはベンチユリ
管の表面の状態が極めて良好でなければならず、
そのためには、ある種の機械的及び電解的研摩法
のような精巧で高価な機械加工法を用いる必要が
あるという問題点があつた。

本発明の目的は、測定濃度範囲が広くかつ信頼
性の高い測定を単純な構成で可能にし得る、キヤ
ビテーシヨンの核の濃度を測定する装置を提供す
ることにある。

［課題を解決するための手段］ 本発明によれば、前記目的は、内径が下流方向
に漸減する上流部と、所定の軸方向長さを有する
と共に内径が最小であるのど部と、内径が下流方
向に漸増する下流部とを連続的に有しており、内
部を軸方向に流れる液体がのど部を通過する間に
一時的に減圧されるように構成された導管と、導
管と協働して環状の流路を規定するようにのど部
と下流部とに収容されており、液体の流れを下流
部の内壁に沿つて偏向すると共にのど部において
液体中に発生し環状の流路に沿つて流れる気ほう
の成長を制限すべく構成された心部材と、導管に
接続されており、発生した気ほうが個々に検出さ
れる程十分な体積となるように液体を導管に沿つ
て流動させる循環手段と、循環手段により液体中
に発生した気ほうを検出すべく構成された検出手
段と、所定時間当りの気ほうの数を得るために前
述の検出された気ほうを計数すべく構成された計
数手段と、所定時間当りの気ほうの数と液体の流
量とに基づいてキヤビテーシヨンの核の濃度を算
出するために導管を流れる液体の流量を測定する
流量測定手段とを備えている、キヤビテーシヨン
の核の濃度を測定する装置によつて達成される。

［作用］ 本発明のキヤビテーシヨンの核の濃度を測定す
る装置によれば、導管は、上流部、のど部及び下
流部を連続的に有すると共に、導管の内部を導管
の軸方向に流れる液体がのど部を通過する間に一
時的に減圧されるように構成されており、導管の
のど部及び下流部には心部材が収容されて導管と
心部材とで環状の流路を規定している。この心部
材は、液体の流れを下流部の内壁に沿つて偏向す
ると共にのど部において液体中に発生し環状の流
路に沿つて流れる気ほうの成長を制限すべく構成
されている。

従つて、本発明の装置によれば、心部材は液体
の流れを下流部の内壁に沿つて偏向するため、液
体の流れを導管の壁面にほぼ平行かつ規則的に案
内すると共に液体の流れの境界層の剥離を回避し
得、気ほうの壁面への付着を低減し得、導管の壁
面と中心部とで流速が異なることに基因する気ほ
う同士の干渉を低減すると共に２つの気ほうが結
合して単一の気ほうとなる確率を低減し得る。

又、心部材はのど部において液体中に発生し環
状の流路に沿つて流れる気ほうの成長を制限すべ
く構成されているため、のど部で発生したほぼ球
状の気ほうは、幅の狭い環状の流路において心部
材の軸方向の所定の長さにわたつて閉じ込められ
る。従つて、のど部で発生した気ほうの夫々の大
きさ及び成長速度は限定された幅を有する環状の
流路により制限され、相当数の気ほうが環状の流
路の同一断面で同時に成長し得る。つまり、発生
しかつ成長する気ほうの１つが環状の流路の同一
断面に占める割合を全断面積の一部に限定し得、
同一断面において角度の異なる他の部分に他の気
ほうの発生する余地を十分残し得る。しかも、環
状の流路の幅の大きさを適宜選択することにより
キヤビテーシヨンによつて発生した気ほうと流れ
てくる液体との相互干渉を極めて小さくし得、発
生した気ほうの数及び気ほうの成長による体積の
変化につれてのど部を流れる液体の圧力が変化す
るのを低減し得る。

加えて、のど部で発生した気ほうの大きさが環
状の流路により制限されるため、気ほうの崩壊に
よる衝撃波のエネルギを低減し得、より小さな気
ほうの崩壊の検出を容易にし得、又、衝撃波が上
流側に伝搬して上流において核なしで気ほうが発
生するのを回避し得る。

その結果、測定濃度範囲が広くかつ信頼性の高
い測定を単純な構成で可能にし得る。

［実施例］ 以下、本発明を図面に示す好ましい実施例を用
いて詳述する。

なお、各図面において同一の参照符号は、同一
の部分を示すものとする。

第１図は本実施例のキヤビテーシヨンの核の濃
度を測定する装置の構成を示す。

第１図のキヤビテーシヨンの核の濃度を測定す
る装置は次のように構成されている。

減圧用導管（以下、導管と称す）２は、軸線４
を中心としてほぼ円筒形に形成されており、液体
を水としたとき、この水の流動方向（矢印６で示
される方向）に従つて、流路断面が円形でほぼ一
定しておりかつ流路断面に対してスペーサ２２が
占める部分が僅かである入口部分Ａ、流路断面積
が減少していく上流部分Ｂ、キヤビテーシヨンの
核の一部が水蒸気ほう（以下、気ほうと称する）
を発生させるほぼ一定の最小流路断面積を有する
ゾーンＣ、流路断面積が漸増し圧力が上昇する下
流部分Ｄ、流路断面積が更に拡大され、気ほうが
存在せず水が流れ易いように装置の下流に形成さ
れた出口部分Ｅを連続的に備えている。

ゾーンＣで気ほうを発生させ得る核は、水の加
速によつてゾーンＣ内に生じる最小圧力Pt以上
の臨界圧Psを有する。

最小圧力Ptをかなり上回る臨界圧Psを有する
核は、上流部分Ｂで気ほうを発生させる。発生さ
れた気ほうはゾーンＣ内で体積が急増する。

又、発生された気ほうの一部は下流部分Ｄの上
流側で体積が増え続けるが、上昇圧力の作用によ
つて、全ての気ほうは下流部分Ｄを通り過ぎる前
に突然内破することになる。

各気泡の内破は衝撃波を発生し、発生した衝撃
波は水と導管２の壁面とを介して伝搬される。

水の流れを偏向するための心部材１８は、所定
の断面を有する夫々３つの径方向スペーサからな
る２つのグループにより導管２の軸線４に沿つて
保持される。

この２つのグループの内の一方のグループのス
ペーサ２２は、導管２の入口部分Ａに配置され、
他方のグループのスペーサ２４は、出口部分Ｅ内
に配置されており、このスペーサ２２及び２４に
よる支持方法によつて心部材１８の振動が回避さ
れる。

図面から明らかなように、心部材１８は、導管
２により構成されるベンチユリ管ののど部２６の
下流に最小流路面積を得るために設けられたもの
である。この最小流路断面積は、環状通路２０の
平均周縁長2πR（ここでＲは環状通路２０の平均
半径）に径方向の幅Ｌを乗じた値に等しい。

上記環状通路２０の平均半径Ｒと幅Ｌとの位置
関係を第３図に示す。

上述したように心部材１８による有益な効果
は、下記の事実によるものと考えられる。

即ち、心部材１８が水の流線を最小圧力Ptの
ゾーンＣより手前の上流側で外側に偏向させ、そ
れにより水の流線の剥離を回避させようとする。
従来の装置においては、のど部下流側の導管内を
流れる液体の圧力は壁面近傍と導管中心とでかな
り異なるため、液体の流れが十分に遅い場合、壁
面に付着した気ほうは、低圧力下におかれて成長
すると共に、圧力の上昇により大きさが制限され
つつ流れてくる他の気ほうと接触してこれを取り
込むことにより大きさが急激に増大し、従つて、
核の濃度の測定が不正確であつた。

しかし、本実施例の装置によれば、心部材が液
体の流れを導管の壁面にほぼ平行かつ規則的に案
内するため、流路断面内の径方向に関する圧力の
差異が小さくなり、気ほうが壁面に付着しにくく
なると共に、環状通路２０の幅が狭いため気ほう
の成長速度及び大きさが制限され、核の濃度の正
確な測定が可能になる。

その結果、第１に、異なる核により生ずる２つ
の気ほうが結合して単一の気ほうを形成する確率
が減少する。

第２に、大きさが最大の気ほうの崩壊により下
流側に生じる衝撃波のエネルギが制限され、その
ため、大きさがより小さい気ほうの崩壊の検出が
容易になる。

更に、このエネルギの制限は、最大気ほうの崩
壊によつて生じる衝撃波が上流に伝搬され、最小
流路断面積を有するゾーンＣ内において核なしで
気泡が発生することを回避させる。

第４図に示すように、測定すべき水の入口２８
及び出口３０の間には、上述の導管２の他に、循
環手段としてのポンプ８、気ほう計数手段１２に
接続される検出手段としての音響検出器１０、そ
してデイスプレイ１６を備えた流量測定装置１４
が、全て導管２の下流側に配置されている。

導管２は、例えば研磨された黄銅等の金属で形
成されている。

又、上記検出手段が光学的性質のものであつ
て、気ほうにより拡散される光を検出する場合に
は、導管２はポリメチルメタクリレートのような
剛性を有する透明材料で製造し得る。

更に、例えば溶融金属の核の濃度を測定する場
合等には、他の公知材料を使用し得る。

上記の気ほうは、電気的方法等によつても検出
し得る。

本実施例では、水の流量：１リツトル／秒、入
口部分Ａの直径：20mm、先細の上流部分Ｂの長
さ：15mm、導管２の見かけ上ののど部２６の直
径：10mm、下流部分Ｄ及び心部材１８の２つの円
錐の1/2頂角：20゜、該円錐相互間の間隙の平均
幅：１mm、最小流路断面積のゾーンＣの長さ：15
mm、下流部分Ｄの長さ：25mmの夫々を設定値とし
て採用し得る。

上記の設定値を用いると、入口部分Ａの圧力が
５バールに等しいときに、−５バールという負の
最小圧力Ptが得られる。

又、液体の流量を増加すれば、これに応じて最
小圧力Ptは低下する。

［発明の効果］ 本発明のキヤビテーシヨンの核の濃度を測定す
る装置によれば、心部材は液体の流れを下流部の
内壁に沿つて偏向するため、液体の流れを導管の
壁面にほぼ平行かつ規則的に案内すると共に液体
の流れの境界層の剥離を回避し得、気ほうの壁面
への付着を低減し得、導管の壁面と中心部とで流
速が異なることに基因する気ほう同士の干渉を低
減すると共に２つの気ほうが結合して単一の気ほ
うとなる確率を低減し得る。

又、心部材はのど部において液体中に発生し環
状の流路に沿つて流れる気ほうの成長を制限すべ
く構成されているため、のど部で発生したほぼ球
状の気ほうは、幅の狭い環状の流路において心部
材の軸方向の所定の長さにわたつて閉じ込められ
る。従つて、のど部で発生した気ほうの夫々の大
きさ及び成長速度は限定された幅を有する環状の
流路により制限され、相当数の気ほうが環状の流
密の同一断面で同時に成長し得る。つまり、発生
しかつ成長する気ほうの１つが環状の流路の同一
断面に占める割合を全断面積の一部に限定し得、
同一断面において角度の異なる他の部分に他の気
ほうの発生する余地を十分残し得る。しかも、環
状の流路の幅の大きさを適宜選択することにより
キヤビテーシヨンによつて発生した気ほうと流れ
てくる液体との相互干渉を極めて小さくし得、発
生した気ほうの数及び気ほうの成長による体積の
変化につれてのど部を流れる液体の圧力が変化す
るのを低減し得る。

加えて、のど部で発生した気ほうの大きさが環
状の流路により制限されるため、気ほうの崩壊に
よる衝撃波のエネルギを低減し得、より小さな気
ほうの崩壊の検出を容易にし得、又、衝撃波が上
流側に伝搬して上流において核なしで気ほうが発
生するのを回避し得る。

その結果、測定濃度範囲が広くかつ信頼性の高
い測定を単純な構成で可能にし得る。

【図面の簡単な説明】

第１は本発明の一実施例の減圧用導管の長手方
向断面図、第２図は第１図の−断面図、第３
図は第１図の1/2−拡大断面図、第４図は本
発明の一実施例の全体構成図である。 Ａ……入口部分、Ｂ……上流部分、Ｃ……最小
流路断面積のゾーン、Ｄ……下流部分、Ｅ……出
口部分、２……減圧用導管、８……ポンプ、１０
……音響検出器、１２……気ほう計数手段、１４
……流量測定装置、１８……心部材、２２，２４
…スペーサ。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内径が下流方向に漸減する上流部と、所定の
   軸方向長さを有すると共に内径が最小であるのど
   部と、内径が下流方向に漸増する下流部とを連続
   的に有しており、内部を軸方向に流れる液体が前
   記のど部を通過する間に一時的に減圧されるよう
   に構成された導管と、 前記導管と協働して環状の流路を規定するよう
   に前記のど部と前記下流部とに収容されており、
   前記液体の流れを前記下流部の内壁に沿つて偏向
   すると共に前記のど部において前記液体中に発生
   し前記環状の流路に沿つて流れる気ほうの成長を
   制限すべく構成された心部材と、 前記導管に接続されており、前記発生した気ほ
   うが個々に検出される程十分な体積となるように
   前記液体を前記導管に沿つて流動させる循環手段
   と、 前記循環手段により前記液体中に発生した気ほ
   うを検出すべく構成された検出手段と、 所定時間当りの気ほうの数を得るために前記検
   出された気ほうを計数すべく構成された計数手段
   と、 前記所定時間当りの気ほうの数と前記液体の流
   量とに基づいてキヤビテーシヨンの核の濃度を算
   出するために前記導管を流れる前記液体の流量を
   測定する流量測定手段とを備えている、キヤビテ
   ーシヨンの核の濃度を測定する装置。 ２ 前記導管の横断面がほぼ円環状であると共に
   前記心部材の横断面が前記導管の横断面と同心の
   ほぼ円形状であり、前記環状の流路において成長
   する前記気ほうの夫々における最大直径を制限す
   べく前記心部材の少なくとも一部分の外径が前記
   導管の内径の70％以上の値を有する特許請求の範
   囲第１項に記載の装置。 ３ 前記下流部の内面は内径が下流方向に漸増す
   る円錐状部分を含んでおり、前記心部材は、前記
   円錐状部分に同軸的に収容されると共に外径が下
   流方向に漸増する円錐形部分を含んでおり、前記
   円錐状部分と前記円錐形部分とで規定される流路
   断面の下流方向への漸増が当該流路断面の平均円
   周長さの増加により得られる特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。 ４ 前記下流部の内面の全体は内径が下流方向に
   漸増する円錐状であり、前記心部材の前記下流部
   に対応する部分は、前記下流部に同軸的に収容さ
   れると共に外径が下流方向に漸増する円錐形であ
   る特許請求の範囲第３項に記載の装置。 ５ 前記導管の長手軸に対する前記下流部の内面
   の傾斜角が0゜から45゜である特許請求の範囲第４
   項に記載の装置。 ６ 前記下流部の内面の傾斜角と前記心部材の前
   記対応する部分の傾斜角とは前記液体の流れを妨
   害しないように下流方向に関して漸減している特
   許請求の範囲第４項に記載の装置。 ７ 前記検出手段は、前記気ほうの崩壊を音響に
   より検出すべく前記のど部から所定距離離間して
   下流側に配設された音響手段からなる特許請求の
   範囲第１項に記載の装置。