JPS5987369A - 水流モデルにおける速度測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、水流モデルにおいて非接触状態下に流れ場の
任意個所の速度を測定する方法に関する。

従来、水流モデルにおいて３１８度を測定覆るには、ピ
ト・一管を使用覆る方法と、流れ速度の変化に伴ってレ
ンリー（電線から或る）から奪われる熱耐に変化が生じ
セン１ノーを流れる電流量が変化する現象を利用した電
気的測定法とがある。しかし、これらの流速測定法は、
いずれら流れ場内にピトー管あるいは【？ンサをｉＱｌ
ｌｌし４丁ければならず、流体の流れを変えて実際のも
のと違うらのにしてしまう。

ま１＝、ピトー管は狭小な流れ場に設置覆ることができ
ない。このことは、電気的測定法のセンサについても、
センサが振れないようなしっかりした支持構造が必質な
ことから、同様である。更に、いずれの測定法においで
も、流速の変化は計器を通して表わされる数値としてし
か把えることができず、大まかな目視観察などできない
。勿論、流速測定と同時に流れ場の状況を観察すること
はでぎない。

斯様に従来の水流モデルにおける流速測定法にあっては
、非接触状態下に速度を測定できなかったノ、：め、精
確な測定値を得ることができない。反応及び熱移動をと
もなう流れ場、例えば実際の燃焼では、流体の膨張、粘
性の低下が起こることから単に濃度変化を把えるだけで
は足りず、流速を求めなければ実際の燃焼を精確に予測
することができない。このことから、流速を正確に求め
ることは水流モデルを現実のものに近いシュミレーウと
ＪるＪで重要であり、望まれてい１ｃ０本発明は、上述
の要望に応えるもので、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流速を測定し得る方法をＪに供
することを目的とする。

斯かる目的を達成覆るため、本発明は、モデル水槽と圧
力水供給源とを繋ぐ管路に直（７３ｍｍ以下の小孔を少
なくとも１つ穿孔したオリフィスを設置してオリフィス
通過時の局所的圧力低下に伴う脱気現象によって微細か
つ均質な気泡を水流中に大Ｗに出現させ、この微細かつ
均質な気泡を密に含む水流で水槽内（、−流れ場を再現
し、この流れ場にスリット光を当てて気泡での乱反ｑ４
に６１、り任ｆａｔ断面ｒお１Ｊる流れを可視化覆る　
方、散乱光をＦ＼ｌカメラで掘影Ｉ〕Ｔ’　ｔ　＝−タ
アレビのブ−ノウン管ＥＳ映し出づとＪ（に近接した２
点にａ３いて前記散乱光の変化を前記ブラウン管−１の
２個の）ＡトＥ！ンリーで各々測定し、１ｇ近しｌこ２
点に、１３ける散乱光の変動の時間的ずれを相Ｔ７相関
関数を用いて求め、この時間を気泡群の＾ｉ１記フ４１
−センリ＝間の移動時１ｆ！］どして３１ｉ度を求める
ようにしたものである。

以下本発明方法を図面に示す実施装置例に基づいて詳細
に説明りる。

第１図に本発明方法を実ｔＭづる水流モデル可視化装置
を概略図で示づ。この可視化装ｊ〜は、可視化しようと
する流れ場を再［ｉ！りるモデル水槽（以下水槽と略称
づる）１と、この水槽１に気＠４を混入さμた流体・水
を例λ、ば底面から供給づる流体供給コニット２及び水
！！ｉＩ内の流れ場にスリット光５を前用Ｊるスリット
光源３どから−■に（１４成されている。この可視化装
置において、水槽１の３− 底面から流入」）た流体は、水槽１内において流れ場を
再現したのり水槽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。排水は気泡以外の置物を含ん
でおらず又気泡も一部を除いて再び水に溶は込／υ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・水を供給りる流体供給コニ
ット２は、図示しない圧力水供給源と水Ｉａ１の流体噴
出ロアとを結ぶ管路８の途中に設けられたオリフィス９
とから成り、オリフィス９部分における局所的減圧作用
に伴う脱気現象によっ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。オリフィス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４− 関３１！竹があり、小孔直径が３＋ｎｍを越えると、発
！１気泡４が極め（不均質となりｌｉ’ｉ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どして使
用する場合、流れへの〕０随性不良による誤Ｚ及び圧力
にＪ、る誤差を充慮づれば、可視化による最適な気泡直
径は０．０６〜０．２１１１ｍの範囲であることが好ま
しく、更に気泡４の水中への溶１ノ込みが早期に起こら
ないような条件を鑑みれば０．１ｍｌｌ１前後が最も好
ましい。そこで、オリフィス９の径と発生気泡４の粒径
割合との関係を求めた水元明石等の実験結果（第３図）
によると、直径３ＩＩ１１１ＩのＡ゛リフイス９は可視
化に最適な直径０．２ＩＩＩＩＩＩ以壬の気泡４が７０
％程度を古めでの平均直径は０．１１３ｍｍであって概
ね均質ならのであるが、直径４ｍｍのオリフィス９にな
ると直径Ｑ、２ｍｍ以下の気泡が３０％程麿と低く不均
質となる。この実験結果から好ましいＡリフイス径は、
φ１．５ｍｍ以下であり、最も好ましくはφＱ、８ｍｍ
以下φＱ、５１ｎｍ以上である。１ｉｌＴ径０．５＋ｎ
ｍ未満のオリフィス９を除いたの番、Ｌ流体中の塵で目
詰りを起こし九１つて気泡発生が不安定となるからであ
り、上流に効架的なフィルタを設置して塵を完全に除去
できるのであればＱ、５ｍｍ未満の直径でも良い。第３
図の実験結果によると、Ａリフイス径０．８ｍｍで９　
ｋ（１／　Ｃ１ｎ２の圧力を加えた場合、直径０．０７
８１〜Ｏ，，２１０６ｎ＋ｍの範囲の気泡４が発生して
いることが拡大η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で何祝化最囲の中で最も好ましい気泡
杼といえる。ここで、流量を増加する場合には、オリフ
ィス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串を一定にできる。

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Ｊ：っ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］］７
を右する。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
、ファ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７使用される。１ノたがって
、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「１７には観察しようとりる
流れ場を再現覆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１゜もっども、モデル
を水流噴出］］７がら離して水槽１内に設置し、水流噴
１１１０７においては流れに何ら変化をＪｊえない場合
もある。本実施例の場合、バーブタイルモデル１０とバ
ーブタイルモデル１１とが設ｆ’＋され、燃ｒ１１と空
気の混合状態、イの割合などを測定するＩ、：め、バー
ブノズル［デル１０からは気泡４が混入された流体（燃
１′３１に相当する）を噴出させると共にイの周囲から
は気泡が混入されていない流体（Ｔ次空気に相当する）
を噴出させてバーナタイルモデル１１内で両名を混合さ
せるように設けられている。勿論、この水流噴出ロアの
個数及び位置は図示のものに限られない１１例えば、フ
ァ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【３Ｌバーノーの配置位置が熱分布７− にｌ）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、スリット光源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、スリット光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−での範
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すとも気泡のみが散乱
光によって目立つので観察が容易である。ここで、光吸
収体どは水槽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而即ち輪
切りにして観察ツる場合には、流れ場８− を横切るスリブ１−光５にり・１し、で９０〜１／１５
度の範囲とは水槽１の天井・」一方となる。したがって
、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内にスリン１へ光５を照射りるスリット・光
源３は、公知のいかなるｆ段でもＪ、い。例えば、スラ
イド映写機にスリットを入れた板を捕し込みスリット・
光を得るようにしても良い。この場合、スリン１〜の切
込み方向を変えた幾枚かのスリット・板を用意すること
により流れの任意の断面を透過づるスリット光５を得る
ことができる。スリット光５は気泡４に当たって乱反射
するが、ぞの散乱光は光が入射１ノだ方向から９０〜１
４５度の範囲で最もよく検出される特性を右（）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、イれは散乱光の強度が潤度に対応づ
ることを意味づる。

イこて、まず、圧力水供給源から水槽１に向【ノて流体
を圧送する際に、オリフィス９における局所内減圧作用
に伴なう脱気現象によって流体内に固溶されている空気
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。（して、この微細かつ均質な気泡を密に
合んだ流体で水槽１内に所望の流れ場を再現号る。イこ
へ、スリッＩ〜光５を照射覆ると、スリン１〜光５が気
泡４にＪ：つて乱尺則し散乱するので、水流中にお１プ
る気泡４の存在が第４図に示づように火の粉の如く明瞭
に表われ流れを可視化づる。このとぎ、散乱光の強度は
単位体仙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比例覆ることを意味
″づることから、気泡の流体中にｉ１３　（〕る粗密状
態即ち１ｌＩ１１反を散乱光の強度という観点から目視
観察できる。

すｙに、この水槽１内の流れは、第２図に示すように、
水槽全面の１Ｖカメラ２０で搬影されてモニタテレビ２
１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′ａ度の変化即ち散乱光の変化がブ
ラウン管上のフォトレノ４ノ２２によって測定され電気
的信号例えば電圧の変化どして検出Ｃ入れる。

ここで・、気泡１を１〜レーザどし７使用覆るξどによ
り流体の流れを可視化でＺ（るとしてら、一つの気泡４
を１４定し【イの気泡４が所定外＋ｌｌｌ１１−を移動
づる時間を測定づるごとは不可能である。しか１）、微
細かつ均質＜Ｔ気泡が密に含まれｌＪ流体が作り出づ゛
流れ場にＪ３い（、定ｓｌ良の気泡１１丁が移動力る現
象は一つの測定点に４３いて淵１ａ変化どじで表われる
１、でシて、この気泡１１Ｙ’の移動現象は、極めて）
！ｉい他の点においては極め−（、’　ｆ、（ｊ似刀る
波形の温石変化として表われる。、ごのことから、気泡
群の）１１接する二点間にＪ３りる移動１１，１間は、
両点にＪ３（ｊる１ｌｌａ　ｆｓｆ変化の時間的ずれと
しく１ｖ［λることができるとの知見を覆るに至った。

そこで、［ニタｊレビ２１のブラウン管１に１Ｊｆｉに
ムう一つの７４１−センリ−２３をｎＱ　Ｉｆ　ｌ）、
近接覆る二点（、：お（プるｍ度変化即ち散乱光の変化
を夫々測定りる。尚、フォトセンサ−２２，２３は、光
学的信号を電気的信号に変換するらので、本実施例の場
合〕Ａ１ヘダイダイビード用１ノているが、ごの−１１
＝ 他のフォトセンサを使用しても良い。

フォトセンサ２２．２３を通じて電気的信号に変換され
た瞬間的な潤度変化はフィルタ２４を通１ノてモニタテ
レビ２１の画面のスキャン信号を除去した後ミニコンピ
ユータ２５に夫々入力される。

−７して、ミニコンピユータ２５において、夫々の測定
点で起こる１ｌｌａ度変化の時間的ずれ・最大遅れ時間
が相互相関関数法を用いて算出される。前述したＪ、う
に、接近しｌ、７二つの測定点においては第５図に示づ
Ｊ、うに似た製鎖変化か起こる。そこで、各測定点にお
【ブる潤度変化を統計的に処理して特徴的４Ｔビークを
各々求め、このピークを基準にして最大遅れ時間ｔを求
める３、最大遅れ時間即ち気泡群のフォトレンチ２２．
２３へ移動時間八ｔが求められれば、フォトセンサ２２
．２３間の距離Δ１−があらかじめ定められていること
から、Ｖ＝ΔＬ／Δｔより流速は簡単に求められる。

ミニコンピユータ２５において演算された流速は、ディ
スプレイ２Ｇに出力されて測定値が画面表示され、更に
ＸＹプロッタ２７においてＸＹ！　１２− 標に測定（ｌ′１が夫々ブ］１ツ［・され７丁次元的に
速度変化が表示され、更にプリンタ２８において数置と
して印？！表示七きれる。

尚、モニタテレビ２１のブラウン管上に３月）る散乱光
の輝庶測定は、測定領域中もっともｎＢい部分でも微小
出力例えば３用＼ｌ程度を示覆Ｊ、うに、ｊ；／＋−し
っとら明るい部分が測定レンジの陵大値近くなるよにモ
ニタを調整して行なうことが必要である。まｌ、二、測
定位置の変更は、モニタテレビ２１のブラウン管１−の
フォトセンサ２２及び２３を移ｖ１さ１！ること←−Ｊ
、つで６行ない得るが、ブラウン管の中火が周辺よりも
安定かつ明るい輝１身を１ワることができるので、フォ
１−ＩＺンリ′２２，２３の位置を固定したｚＬまＴＶ
カメラ２０　＋トラバース（図示省略）にてｙｌ動させ
ることによりｌ層形個所を変更りる方がりＹましい。ま
た、散乱光の測定は、水ＷＪ１内に流れ場を再現するの
と同時に進行する必要はなく、　度水槽１内に流れ場を
再現１ノてその様子を１−　Ｖカメラ２０て踊影する際
に図示し／１いビアｌけｊに録画してお【フば、これを
モニタ７レヒ２１に映し出づ−ことにより何度も測定可
能となる３、更に、狭く複雑な流れ場であっても、ｍｌ
影する際にズームアツプｃＪることでフＡトセン→ノー
２２及び２３の相対的小形化を図り測定を可能とづる１
゜ 以上の説明より明らかなように、本発明の流速測定方法
は、微細かつ均質な気泡を密に含む水流で再現された水
槽内の流れ場にスリン１へ光を当−Ｃて気泡での乱反射
にＪ、り任意断面におｔフる流れを可視化覆る一方、散
乱光をＴ　Ｖカメラで渦形してモニタテレビのブラウン
管に移し出すど共に近接した２点において前記散乱光の
変化を前記ブラウン管１−の２個のフォト・センサで各
々測定し、接近した２点における散乱光の変動の１１．
ｌ１間的ずれを相互相関関数を用いて求め、この時間を
気泡群の前記フＡ１〜センサ間の移ＶＪ＋時間として速
度を求めるようにしてので、精確な流速測定が非接触状
態下に実施できる。確言覆れば、本測定方法によれば、
流れ川内にセンサを設置しないので流れを変えることが
なく、精確な速度測定が可能となる。しかも、本測定方
法【３１２、流沼１測定にりｉ、でｌっで気泡を含む流
体で流れ１月を形成しこれにスリット光を当てて任意断
面にａ３ける流４′１の可視化を図・）でいるの゛（、
泪）梠により速度測定と同時に１１視による流速ｌｆＱ
察及び流れ桐の状況即ｌ）定↑１１的測定も可能である
し、散乱光の変化にＪ、っ−（流れ場全域にお（〕る淵
潤度化も観察−て・きるＩＩ　：した、本測定方？人は
、流れ１易をＴＶカメラてｌｌｉ！影（）た後しニタア
レビに映（）出（）てからフＡ１〜レンリて”測定ηる
Ｊ−うにし了いるので、流れ桐のイ■意の場所を任意の
人さざに拡大ｌノて測定できるど」しにビデオ装「１に
録画し−（ｉｌＪ　ＩＪば実際の水流実験を行なわず、
いつでら測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかる水流モデルにお（プる速度測定
方法を実施する装嵌のう１５可視化装置部分のＩＦ！略
図、第２図は同じく速度測定装「１部分の概略図、第３
図１．Ｊ　Ａリノｒス径と気泡粒径割合との関係を求め
た実１１６）結宋を示７１グラ−ノ、第４図は可視化さ
れｌζ流れ揚を示１説明図、第５図は第２図１５− の装Ｈにおいて７７Ｉｆ−ｔンサで測定された潤度変化
の位相を示タグラフである。 １・・・モデル水槽、４・・・気泡、５・・・スリット
光、８・・・管路、９・・・オリフィス、２０・・・Ｔ
Ｖカメラ、２１・・・モニタテレビ、２２．２３・・・
フオトヒンザ、２４・・・フィルタ、２５・・・ミニコ
ンピユータ。 特許出願人　　　日本ファーネス工業株式会社−１Ｃｉ
　− 第５ｆｌ ｔ ＴＩＭＥ（ｓｅｃ） 手続補正書 昭和５７年１２月１６日 特許庁長官殿 １、事件の表示 昭和５７年特訂顆第１９６．０９７８ ２、発明の名称 水流モデルにお（プる速度測定方法 ３、補正をする晋 事１９との関係　　特許出顎人 ミナトクシバ 住　所　　　東京都　港区　芝　５丁目３３番７号ニボ
ン　　　コウギ」つ 名　称　　　ロ本ファーネスＪ−策株式会■タナカ　　
リョウイヂ 代表？ｊ　　　ｌ（Ｉ　　中　　良　−４、代叩人 ５、補正命令の日付 自発 ６、補正の対象 ！Ｔｈｌに添付した図面 ７、補正の内容 別紙のとおり

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. モデル水槽と圧力水供給源とを繋ぐ管路に直径３ｍｍ以
   下の小孔を少なくとも１つ穿孔したオリフィスを設置し
   てオリフィス通過時の局所的圧力低下に伴う脱気現象に
   よって微細かつ均質な気泡を水流中に太祖に出現させ、
   この微細かつ均質な気泡を密に含む水流で水槽内に流れ
   場を再現し、この流れ場にスリット光を当てて気泡での
   乱反射により任意断面における流れを可視化する一方、
   散乱光をＴＶカメラで撮影してモニタテレビのブラウン
   管に映し出すと共に近接した２点において前記散乱光の
   変化を前記ブラウン管上の２個の７オトセンサで各々測
   定し、接近した２点における散乱光の変動の時間的ずれ
   を相互相関関数を用いて求め、この時間を気泡群の前記
   フォト・センサ間の移動時間として速度を求めることを
   特徴とづろ水流モデルにおける速度測定法。