JPH063365A - 二相流計測装置 - Google Patents

二相流計測装置

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JPH063365A
JPH063365A JP16573692A JP16573692A JPH063365A JP H063365 A JPH063365 A JP H063365A JP 16573692 A JP16573692 A JP 16573692A JP 16573692 A JP16573692 A JP 16573692A JP H063365 A JPH063365 A JP H063365A
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JP
Japan
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probe
distribution
bubble
velocity
bubbles
Prior art date
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JP16573692A
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English (en)
Inventor
Yoshihiko Ishii
佳彦 石井
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【構成】計測対象である配管5の中を流れる水の中の気
泡6の速度分布と気泡径分布を測定するため、電気抵抗
式二探針プローブ3,計測器10,演算器20,表示器
30と入力器31を構成する。データ処理部22では、
上流側プローブ1と下流側プローブ2の信号から、気泡
がプローブに接触している時間と、気泡が上流側と下流
側のプローブに接触する時刻の差を算出し、それらの頻
度分布を求める。一方、モンテカルロ演算部23では、
気泡の速度分布,気泡径分布を仮定して、頻度分布を求
め、二つの頻度分布を比較計算部24で比較し、仮定を
修正して、頻度分布が十分一致したとみなせた時の気泡
の速度分布,気泡径分布を表示器30に表示する。 【効果】気液二相流中の気泡や液滴の実際の速度分布と
直径分布とを、精度良く検出できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、複数の探針を用いて、
気液二相流中の気泡あるいは液滴の速度分布と、気泡径
あるいは液滴径分布を計測する二相流計測装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】気液二相流は、化学プラント,発電プラ
ント,各種流体機械など、多くの装置で発生する。これ
らの装置の制御や性能向上のためには、流れの特性を把
握する必要がある。二相流は、条件によって、気泡流,
スラグ流,環状流,噴霧流など、流動様式が複雑に変化
し、測定が比較的容易な圧力損失や平均ボイド率といっ
たグロスな量では、必ずしも現象を正しく把握できない
場合がある。
【0003】気泡流とスラグ流で重要な測定対象は、気
泡の寸法と速度である。環状流,噴霧流で重要な測定対
象は、液膜及び液滴の寸法と速度である。分散相といわ
れる気泡と液滴の寸法や速度を局所的に計測するには、
光プロ−ブ,電気抵抗式プローブ,ホットワイヤなど探
針部を持つ接触測定法が主に用いられている。
【0004】接触測定法による一般的な速度の測定法に
は、例えば世古口らが“ベロシティメジャメント ウィ
ズ エレクトリカル ダブル−センシング デバイス
イントウ−フェイズ フロー”メジャリング テクニッ
ク イン ガス−リクィドトウ−フェイズ フローズ
(“Velocity Measurement with Electorical Double−
Sensing Devices in Two−Phase Flow”,Measuring Te
chniques in Gas− Liquid Two−Phase Flows, IUTAM
Symposium, France(1983))で述べているよう
に、上流側と下流側に設置した一対のプローブの出力信
号の相関や出力信号の時間遅れから、平均速度を求める
手法がある。この場合、平均速度は比較的精度良く求ま
るが、計測された速度分布は実際の速度分布とは一致し
ない。
【0005】気泡や液滴の寸法の測定法には、Hinataが
“ア スタディ オン ザ メジャメント オブ バブ
ル サイズ ディストリビューション イン ザ アプ
ワード バブリィ フロー”(“A Study on the Measu
rement of Bubble Size Distribution in the Upward B
ubbly Flow”,Bulletin of JSME,27,p112
7(1984))で述べているように、流れの上流側と下
流側、あるいは流れに対して直角な方向に設置した一対
のプローブの出力信号を処理して得られる確率密度と、
分布と気泡径を仮定したときに解析的に求まる確率密度
とを比較して求める手法がある。この手法の欠点は、解
析的に扱うために、気泡の形状を球とするなどの多数の
仮定が必要なことであり、仮定と実際との差が精度の低
下をもたらし、またその補正量を見積もることが困難な
ことである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】気液二相流を利用した
装置の制御や性能向上のために、従来にも増して速度分
布や気泡径分布といったミクロの情報が重要になってい
る。従来の手法では、主に気泡や液滴の平均速度や平均
寸法に着目していたため、分布については考慮していな
かったり、低い精度で満足していた。
【0007】本発明の目的は、気泡や液滴の実際の速度
分布と直径分布とを精度良く検出する方法を提供するこ
とにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、気泡や液滴が二個のプローブに接触する
時刻の差の分布と、気泡や液滴がプローブに接触してい
る時間の分布を測定し、一方で、気泡や液滴の形状,速
度や寸法の分布を仮定したモンテカルロ計算により、プ
ローブから得られる信号をシミュレートし、両者を比較
して、気泡や液滴の実際の速度分布と気泡径分布を算出
する。
【0009】
【作用】モンテカルロ法により気泡や液滴がプローブに
接触した信号を模擬できる原理を説明する。
【0010】流れの上流側と下流側に設置した一対のプ
ローブを考える。プローブの間隔を十分小さく(3mm程
度)すれば、気泡や液滴は上流側プローブと下流側プロ
ーブの間を直線的に移動するとみなせる。以下、簡単の
ため、球形の気泡の場合を例に説明する。
【0011】図2に示すように、上流側プローブ,下流
側プローブの位置を各々(x1,y1,z1),(x2,y2,
2)、気泡の中心位置を(x′,y′,z′)、気泡の半
径をrとする。流れの中の任意の点(x,y,z)につい
て、関数f(x,y,z)を以下のように定義する。
【0012】
【数1】
【0013】気泡の表面では、f(x,y,z)=0であ
る。したがって、気泡表面が上流側プローブに接触した
ときには
【0014】
【数2】
【0015】が成り立つ。
【0016】図3に示すように角度θ,ωを定義し気泡
速度をUb とすると、気泡中心位置(x′,y′,z′)
は、初期の中心位置を(x0,y0,z0)、時刻をtとして
次式で表せる。
【0017】
【数3】
【0018】
【数4】
【0019】
【数5】
【0020】以上の式からx′,y′,z′を消去して
次式を得る。
【0021】
【数6】
【0022】この式は、時刻tに関する二次式であり、
at2+bt+c=0 と表せる。したがって、b2−4
ac≧0 であれば、気泡が上流側プローブに接触する
時刻t1 及び、離脱する時刻t2 は、それぞれ
【0023】
【数7】
【0024】
【数8】
【0025】となる。気泡が下流側プローブに接触する
時刻t3 ,離脱する時刻t4 を同様にして求めれば、気
泡が上流側プローブに接触している時間ttip ,気泡が
下流側プローブに接触している時間trear,気泡が上流
側プローブに接触してから下流側プローブに接触するま
での時間遅れttrは、
【0026】
【数9】
【0027】
【数10】
【0028】
【数11】
【0029】となる。
【0030】乱数を用いて流速Ub や角度θ,ω、気泡
径rの分布を発生させ、プローブの信号と比較すること
で、二探針プローブの計測信号のシミュレーションがで
きる。なお、ここではプローブの先端は点であるとした
が、実際と同じようにある有限の面積を有しているとし
て評価することもできる。また、気泡形状を球形とした
が、実際の気泡形状に近い楕円体として評価することも
できる。
【0031】
【実施例】以下、本発明の装置の一実施例を図1により
説明する。図1は、計測対象である配管5の中を流れる
液体(水)中の気泡6の速度分布と気泡径分布を測定す
る本発明の装置の一実施例である。装置は、大別して、
電気抵抗式二探針プローブ3,計測器10,演算器2
0,表示器30と入力器31の五つから構成する。電気
抵抗式二探針プローブ3は腐食に強いステンレス鋼や白
金でできた上流側プローブ1,下流側プローブ2からな
り、それぞれ、定圧電源11a,11bと抵抗12a,
12bを有する計測器10に接続している。気泡は電気
抵抗が大きく、液相(水)は溶解しているイオンにより
電気抵抗が小さいため、プローブが気泡に接したときの
出力端子13の電位は高く、液相に接したときの出力端
子13の電位は低くなる。出力端子13a,13bの信
号は、A/D変換器21を内蔵した演算器20に取り込
まれ、データ処理部22に送られる。データ処理部22
では、上流側プローブ1と下流側プローブ2の信号か
ら、気泡がプローブに接触している時間と、気泡が上流
側と下流側のプローブに接触する時刻の差を算出し、そ
れらの頻度分布を求める。
【0032】一方、モンテカルロ演算部23では、気泡
の速度分布,気泡径分布を仮定して、作用の項で説明し
た手法を利用して、気泡がプローブに接触している時間
を数9と数10で、気泡が上流側と下流側のプローブに
接触する時刻の差を数11で算出し、それらの頻度分布
を求める。比較計算部24では、データ処理部22とモ
ンテカルロ演算部23で得た頻度分布を比較し、頻度分
布あるいは比較結果をCRT,プリンタなどの表示器3
0に表示すると同時に、頻度分布が大きく異なる場合に
は、計算条件変更部25で仮定した気泡の速度分布,気
泡径分布などの計算条件を変更し、再び、モンテカルロ
演算部23で頻度分布を計算する。データ処理部22と
モンテカルロ演算部23で得た頻度分布が十分一致した
とみなせたときには、その時の気泡の速度分布,気泡径
分布を表示器30に表示する。キーボードなどの入力器
31からは、測定の開始信号をデータ処理部22に送っ
たり、計算条件変更部25の条件変更に対する制約条件
を送ることができる。また、データ処理部22から、計
算条件変更部25の条件変更に対する情報を送ることが
できる。なお、この実施例では、気泡がプローブに接触
している時間と、気泡が上流側と下流側のプローブに接
触する時刻の差の頻度分布を、測定値とシミュレーショ
ンで比較したが、これらの時間から気泡の速度分布と気
泡が探針を横切る長さ(コード長さ)の分布を計算し、
これら二つの頻度分布をモンテカルロ計算と比較しても
よい。
【0033】図4には、本発明によるモンテカルロ演算
部の構成の一実施例を表わす。まず、気泡速度の平均値
と標準偏差,気泡径の平均値と標準偏差といったよう
な、分布を特徴づけるパラメータを設定する。乱数発生
ルーチンを使って、気泡径,気泡速度,流れの方向に対
する気泡の運動方向を表わす角度を次々に設定し、気泡
が上流側プローブに接触している時間ttip ,気泡が下
流側プローブに接触している時間trear,気泡が上流側
と下流側のプローブに接触する時刻の差ttrを、所望の
個数の気泡について計算する。最後に、ttip ,trea
r,ttrの頻度分布を求める。
【0034】計算条件変更部25における、仮定した気
泡の速度分布,気泡径分布などの計算条件の変更方法
は、最小二乗法で評価した実測値とシミュレーション結
果の差の標準偏差を評価関数として、この値が小さくな
るようにパラメータを変更する。また、入力器31か
ら、パラメータの取り得る範囲を指定し、この制約条件
のもとで最適化することもできる。
【0035】図1の実施例では電気抵抗式プローブを用
いているが、二探針の光プローブを用いても、計測器1
0をそれに適したものに置き換えれば、同じ構成で気泡
の速度分布,気泡径分布を測定できる。また、同じ装置
で、環状流や噴霧流中の液滴の速度分布,液滴径分布を
測定できる。
【0036】さらに、プローブの数が三個以上の複数探
針プローブの場合でも、同様の処理をして、気泡の速度
分布,気泡径分布を測定できる。この場合、二探針プロ
ーブに比べて情報量が増加しているので、気泡の形状
が、楕円体になっている影響も評価でき、気泡の寸法を
一層正確に測定できる。
【0037】
【発明の効果】本発明によれば、気泡や液滴の実際の速
度分布や直径の分布を精度良く算出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の二相流計測装置の第一の実施例を表わ
すブロック図。
【図2】角度θ,ωの定義を表わす説明図。
【図3】モンテカルロ法による解析モデルを表わす説明
図。
【図4】モンテカルロ演算部の構成の一実施例を表わす
説明図。
【符号の説明】
1…上流側プローブ、2…下流側プローブ、3…電気抵
抗式二探針プローブ、5…計測配管、6…気泡、10…
計測器、11a,11b…定圧電源、12a,12b…
抵抗、13a,13b…出力端子、20…演算器、21
…A/D変換器、22…データ処理部、23…モンテカ
ルロ演算部、24…比較計算部、25…計算条件変更
部、30…表示器、31…入力器。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の探針を用いて気液二相流の分散相、
    すなわち、液相中の気泡、あるいは気相中の液滴の速度
    分布を計測する二相流計測装置において、前記分散相が
    二個の前記探針に接触する時刻の差の分布と、前記分散
    相が探針に接触している時間の分布を測定し、前記分散
    相の速度分布と気泡径分布を仮定したモンテカルロ計算
    による前記二項目の分布とを比較することにより、前記
    分散相の実際の速度分布と気泡径分布を検出することを
    特徴とする二相流計測装置。
  2. 【請求項2】複数の探針を用いて気液二相流の分散相、
    すなわち、液相中の気泡、あるいは気相中の液滴の速度
    分布を計測する二相流計測装置において、前記分散相が
    二個の前記探針に接触する時刻の差から前記分散相の見
    かけの速度分布を算出し、前記分散相の見かけの速度分
    布と前記分散相が前記探針に接触している時間の分布か
    ら、前記探針が前記分散相を横切る長さの分布を測定
    し、前記分散相の速度分布と気泡径分布を仮定したモン
    テカルロ計算による前記二項目の分布とを比較すること
    により、前記分散相の実際の速度分布と気泡径分布を検
    出することを特徴とする二相流計測装置。
JP16573692A 1992-06-24 1992-06-24 二相流計測装置 Pending JPH063365A (ja)

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JPH063365A true JPH063365A (ja) 1994-01-11

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JP (1) JPH063365A (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013238490A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Kyoto Univ 気液2相流パラメータ測定装置及びコンピュータプログラム
JP2013246124A (ja) * 2012-05-29 2013-12-09 Central Research Institute Of Electric Power Industry 三次元速度の計測システム

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2013238490A (ja) * 2012-05-15 2013-11-28 Kyoto Univ 気液2相流パラメータ測定装置及びコンピュータプログラム
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