JPH10160619A - 3次元流れ計測装置とこれを用いた流れ分布計測装置 - Google Patents

3次元流れ計測装置とこれを用いた流れ分布計測装置

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JPH10160619A
JPH10160619A JP31901996A JP31901996A JPH10160619A JP H10160619 A JPH10160619 A JP H10160619A JP 31901996 A JP31901996 A JP 31901996A JP 31901996 A JP31901996 A JP 31901996A JP H10160619 A JPH10160619 A JP H10160619A
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JP
Japan
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sensor head
flow
sphere
metal films
heat
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Application number
JP31901996A
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English (en)
Inventor
Masakazu Nishiura
正和 西浦
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IHI Corp
Original Assignee
IHI Corp
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Publication of JPH10160619A publication Critical patent/JPH10160619A/ja
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 狭いスペースの気体の3次元流れおよびこの
分布を計測する3次元流れとその分布計測装置を提供す
る。 【解決手段】 球状のセンサヘッド1と、このセンサヘ
ッド1に通電して加熱しこの発熱量とセンサヘッド周囲
を流れる気体により奪われる熱量とが平衡したときの電
流値を用いてセンサヘッド周囲を流れる気体の流速と流
れ角を演算する計測演算装置6と、を備え、センサヘッ
ド1は、絶縁性の球体と、この球体表面に付着した互い
に絶縁された4枚の金属膜3a,3b,3c,3dとか
らなり、計測演算装置6は各金属膜3a,3b,3c,
3dに電流を流す。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、翼等の後方の3次
元流れとその分布を計測する計測装置に係わり、特に狭
隘なスペースにおける3次元流れおよびその分布を計測
する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】ファン圧縮機等の性能を把握するために
は、静翼のウェーク分布、つまり静翼後方の流れ分布を
計測する必要がある。従来は図7に示すように熊手7
(rake)型の支持具の先にセンサヘッド8を設け、
このセンサヘッド8にピトー管を設け流速分布を計測し
ていた。しかしピトー管では流れ角が計測できない。こ
のため図8に示すようにピトー管に代えてホットワイヤ
を交差したX型ホットワイヤを用いて流れ角を計測する
ことも行われている。このホットワイヤとは熱線風速計
に用いる白金線やタングステン線のことで、これに電流
を流して加熱し流体によって奪われる熱量と加熱による
熱量が平衡したときの電流から流体の流速が計測され
る。このホットワイヤを交差し両ホットワイヤの熱量の
比と両ホットワイヤに流入する流体の流れ角との関係を
表す実験データより流れ角を算出することができる。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】このようなX型ホット
ワイヤで流れ角を計測する場合、X型ホットワイヤの幅
は5mm程度必要であり、図7に示す熊手7に取り付け
た場合、熊手7の幅は25mm程度の幅となる。一方、
小型の圧縮機の静翼のウェーキ分布を計測するには、熊
手7の幅は大きくても15mm以内、つまり3mmピッ
チ程度で流速と流れ角の分布を計測することが望まし
い。また従来の計測装置では3次元の流れを小さな装置
で計測することはできなかった。
【0004】本発明は、上述の問題点に鑑みてなされた
もので、狭いスペースの気体の3次元流れおよびこの分
布を計測する3次元流れとその分布計測装置を提供する
ことを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項1の発明では、球状のセンサヘッドと、この
センサヘッドに通電して加熱しこの発熱量とセンサヘッ
ド周囲を流れる気体により奪われる熱量とが平衡したと
きの電流値を用いてセンサヘッド周囲を流れる気体の流
速と流れ角を演算する計測演算装置と、を備え、前記セ
ンサヘッドは、絶縁性の球体と、この球体表面に付着し
た互いに絶縁された4枚の金属膜とからなり、前記計測
演算装置は各金属膜に電流を流す。
【0006】球体には4枚の金属膜が互いに絶縁されて
付着している。各金属膜は通電される。球体の4枚の金
属膜の発熱量と周囲を流れる気体によって奪われる熱量
が平衡したときの電流値に基づく発熱量と気体の流速と
の関係を予め実験的に求めておくことにより気体の流速
を得ることができる。また平衡したときのそれぞれの金
属膜の発熱量と気体の3次元流れ角との関係を予め実験
的に求めておき、通電した電流から各金属膜の発熱量を
求め気体の3次元流れ角を得ることができる。
【0007】請求項2の発明では、前記4枚の金属膜は
同一面積を有し、対向する2枚の金属膜は前記球体の所
定方向の直径に対して対称に配置されている。
【0008】4枚の金属膜の面積を同一面積とし、対向
する2枚の金属膜を球体の所定方向の直径に対して対称
に配置し、2枚の対向する金属膜の発熱量から、所定方
向の直径を含みこの2枚の金属膜の付着した球面を切断
した第1切断面における流れ角度θを演算できる。ま
た、対向する他の2枚の金属膜を前記球体の所定方向の
直径に対して対称に配置し、この他の2枚の対向する金
属膜の発熱量から、前記所定方向の直径を含みこの他の
2枚の金属膜の付着した球面を切断した第2切断面にお
ける流れ角度φを演算できる。この第1切断面内の流れ
角θと第2切断面内の流れ角φから3次元の流れ角ψを
演算することができる。
【0009】請求項3の発明では、間隔を隔てて配置さ
れた球状の複数のセンサヘッドと、この各センサヘッド
に通電して加熱しこの発熱量とセンサヘッド周囲を流れ
る気体により奪われる熱量とが平衡したときの電流値を
用いて各センサヘッド周囲を流れる気体の流速と流れ角
を演算する計測演算装置と、を備え、前記センサヘッド
は、絶縁性の球体と、この球体表面に付着した互いに絶
縁された4枚の金属膜とからなり、前記計測演算装置は
各金属膜に電流を流す。
【0010】各球体には同一面積を有する4枚の金属膜
が互いに絶縁されて付着されており、この金属膜は通電
される。各球体の4枚の金属膜の発熱量と周囲を流れる
気体によって奪われる熱量が平衡したときの電流値と気
体の流速との関係を予め実験的に求めておくことにより
気体の流速を得ることができる。また平衡したときの各
金属膜の発熱量と気体の3次元流れ角との関係を予め実
験的に求めておき、通電した電流から各金属膜の発熱量
を求め気体の3次元流れ角を得ることができる。このよ
うな金属膜の付着した球体を複数間隔を隔てて配置する
ことにより、流れの速度および3次元流れ角の分布を得
ることができる。なお、球体の直径はX型ホットワイヤ
よりもかなり小さくしても流速と3次元流れ角の測定が
可能であり、5本の手を有する熊手に取りつけた場合熊
手の幅も小さくできるので、狭隘なスペースの3次元流
れの分布を計測することができる。
【0011】請求項4の発明では、前記4枚の金属膜は
同一面積を有し、対向する2枚の金属膜は前記球体の所
定方向の直径に対して対称に配置されており、前記所定
方向は各球体とも同一方向である。
【0012】請求項2で説明したように、同一面積の4
枚の金属膜を2枚1組にして対向して配置することによ
り3次元の流れ角ψを得ることができる。このような金
属膜を有する球体を複数個、向きを同一にして配置する
ことにより3次元流れの流速と流れ角の分布を得ること
ができる。
【0013】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図1は本発明の第1実施形
態の流速とその3次元方向を計測する3次元流れ計測装
置の斜視図である。球体1はセラミックスなどの絶縁材
よりなり、流れ後方から一つの直径の延長線5に沿った
支持材2で絶縁的に支持されている。支持材2は球体1
周囲の流れを乱さぬ形状配置になっている。球体1の表
面には金属膜3、例えばニッケルの蒸着膜が付着され、
直径の延長線5を通る十字の間隙4により互いに絶縁さ
れている。金属膜3は面積の等しい4枚の金属膜3a,
3b,3c,3dよりなり、直径の延長線5に対して3
aと3bが対称に配置され、3cと3dが対称に配置さ
れている。各金属膜3には電線が接続され支持材2の内
部を通り計測演算装置6に接続されている。計測演算装
置6は金属膜3に通電しこの電流値に基づき流速、3次
元流れ角等を算出する。
【0014】図2は本発明の第2実施形態を示す斜視図
である。図1に示す球体1が所定の間隔で配置され、熊
手7によって流れを乱さないように支持されている。計
測演算装置6aは各球体1の金属膜3に電流を供給する
とともにその電流値と金属膜3の抵抗値等から流れ速
度、流れ角等を演算する。1つの直径の延長線5の方向
は全ての球体1で同一であり、熊手7の前後方向となっ
ている。熊手7は静翼9の後流に設定される。各構成部
材の寸法の一例を示すと、球体1の直径は1mm程度、
金属膜3の厚みは1〜10μm程度であり、球体1の中
心間距離は2mm程度で、5本手の熊手7の場合全幅は
10mm程度である。
【0015】流速は熱線風速計と同様な方法により演算
される。図1に示す金属膜3に電流を通して加熱し、気
体の中に置くと、球体1から失われる熱量Hと流速vの
間には次式が成り立つ。 H=B√v+C …(1) ここでB,Cは装置定数である。金属膜3の電気抵抗を
R、電流をIとすれば、(1)式は次のようになる。 I2 R=B√v+C …(2)
【0016】供給する熱量と気体により失われる熱量が
平衡したとき、つまり通電する電流値が一定値に落ち着
いたときの電流値IS を(2)式に代入することにより
流速vを求めることができる。この場合の電流Iは金属
膜3a,3b,3c,3dを直列に接続したときの電流
とするとよい。なお電圧をVとすればV=IRであるの
で、(2)の左辺はIVで表すことができ、これにより
抵抗Rの値(これは温度により変化する)は必ずしも必
要ではない。
【0017】図3は測定した流速vの一例を示す図であ
る。横軸は時間を表し、縦軸は流速vを示す。流速vは
こきざみに変動しており、平均値をvm、変動幅をΔv
とすると、変動幅と平均値との比Δv/vm(乱れ度)
を得ることができる。
【0018】図4は流れ角ψの算出方法を説明する図で
ある。直径の延長線5の通る直径を含む互いに直交する
第1切断面と第2切断面とを想定する。球体1の中心を
Oとし、直径の延長線5方向をY軸としこれに直交する
X軸とZ軸を設定する。第1切断面をXY平面内とし、
第2切断面をYZ平面内とする。球体1の中心Oを座標
の中心とする。対向する金属膜3a,3bは第2切断面
に対して対称に配置され、他の対向する金属膜3c,3
dは第1切断面に対して対称に配置されている。θはX
Y平面内での流れ角の成分を示し、φはYZ平面の流れ
角の成分を示す。ψは角度θ線上のXY平面との角度を
示し、ψはθとφとから算出される。3次元流れ角はθ
とψとで表される。
【0019】図5は金属膜3aで発生している熱量E
a、金属膜3bで発生している熱量Ebと流れ角θとの
関係を示す図である。各熱量Ea,Ebは金属膜3a,
3bに供給される熱量とこの周囲を流れる気体によって
奪われる熱量が平衡したときの熱量である。平衡したか
否かは供給する電流が一定値に落ち着いたか否かで判定
でき、この一定値の電流より各熱量Ea,Ebを算出す
ることができる。なおEaとEbからそれぞれ算出した
流れ角θが相違するときは、平均の角度θmをとるよう
にするとよい。
【0020】図6は金属膜3cで発生している熱量E
c、金属膜3dで発生している熱量Edと流れ角φとの
関係を示す図である。各熱量Ec,Edは金属膜3c,
3dに供給される熱量とこの周囲を流れる気体によって
奪われる熱量が平衡したときの熱量である。平衡したか
否かは供給する電流が一定値に落ち着いたか否かで判定
でき、この一定値の電流より各熱量Ec,Edを算出す
ることができる。なおEcとEdからそれぞれ算出した
流れ角φが相違するときは、平均の角度φmをとるよう
にするとよい。このようにして得られたθとφとからψ
が得られ、3次元流れ角はθとψとによって表される。
【0021】
【発明の効果】以上の説明より明らかなように、本発明
は、球体に4枚の金属膜を付着したセンサヘッドに通電
して発熱量を計測することにより、流速、3次元流れ
角、さらに乱れ度を算出することができる。またこのセ
ンサヘッドを熊手の手にそれぞれ設けることにより極め
てコンパクトな3次元流れ分布計測装置を得ることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す斜視図である。
【図2】本発明の第2実施形態を示す斜視図である。
【図3】流速、平均流速、乱れ度を示す図である。
【図4】流れ角を算出する座標系と各角度θ,φ,ψを
説明する図である。
【図5】金属膜3a,3bよりθを算出する説明図であ
る。
【図6】金属膜3c,3dよりψを算出する説明図であ
る。
【図7】従来の流れ分布測定装置を示す図である。
【図8】X型ホットワイヤを示す図である。
【符号の説明】
1 球体 2 支持材 3,3a,3b,3c,3d 金属膜 4 間隙 5,直径の延長線 6,6a計測演算装置 7 熊手 8 静翼

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 球状のセンサヘッドと、このセンサヘッ
    ドに通電して加熱しこの発熱量とセンサヘッド周囲を流
    れる気体により奪われる熱量とが平衡したときの電流値
    を用いてセンサヘッド周囲を流れる気体の流速と流れ角
    を演算する計測演算装置と、を備え、前記センサヘッド
    は、絶縁性の球体と、この球体表面に付着した互いに絶
    縁された4枚の金属膜とからなり、前記計測演算装置は
    各金属膜に電流を流すことを特徴とする3次元流れ計測
    装置。
  2. 【請求項2】 前記4枚の金属膜は同一面積を有し、対
    向する2枚の金属膜は前記球体の所定方向の直径に対し
    て対称に配置されていることを特徴とする請求項1記載
    の3次元流れ計測装置。
  3. 【請求項3】 間隔を隔てて配置された球状の複数のセ
    ンサヘッドと、この各センサヘッドに通電して加熱しこ
    の発熱量とセンサヘッド周囲を流れる気体により奪われ
    る熱量とが平衡したときの電流値を用いて各センサヘッ
    ド周囲を流れる気体の流速と流れ角を演算する計測演算
    装置と、を備え、前記センサヘッドは、絶縁性の球体
    と、この球体表面に付着した互いに絶縁された4枚の金
    属膜とからなり、前記計測演算装置は各金属膜に電流を
    流すことを特徴とする3次元流れ分布計測装置。
  4. 【請求項4】 前記4枚の金属膜は同一面積を有し、対
    向する2枚の金属膜は前記球体の所定方向の直径に対し
    て対称に配置されており、前記所定方向は各球体とも同
    一方向であることを特徴とする請求項4記載の3次元流
    れ分布計測装置。
JP31901996A 1996-11-29 1996-11-29 3次元流れ計測装置とこれを用いた流れ分布計測装置 Pending JPH10160619A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016535843A (ja) * 2013-10-22 2016-11-17 エアバス ディフェンス アンド スペース エスエイエス 航空機の迎え角及び横滑りを測定するための方法及びデバイス
CN113125102A (zh) * 2021-03-24 2021-07-16 中国空气动力研究与发展中心空天技术研究所 一种椭圆截面米字耙流量计5×8测点等面积分布方法

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