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JP2802820B2 - 旋回流動を自生させ乱流を抑制する方法及びその装置 - Google Patents
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JP2802820B2 - 旋回流動を自生させ乱流を抑制する方法及びその装置 - Google Patents

旋回流動を自生させ乱流を抑制する方法及びその装置

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JP2802820B2
JP2802820B2 JP16829290A JP16829290A JP2802820B2 JP 2802820 B2 JP2802820 B2 JP 2802820B2 JP 16829290 A JP16829290 A JP 16829290A JP 16829290 A JP16829290 A JP 16829290A JP 2802820 B2 JP2802820 B2 JP 2802820B2
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芳弘 石田
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【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、レイノルズ数の高い領域の管内流動で、流
れの施回成分を自生することによって乱流を抑制する方
法及びその装置に関する。
〔従来の技術〕
円筒管内にて流速が増大すると流れの乱れが大きくな
り乱流状態に遷移することはよく知られている。すなわ
ち、管内を流動する流体は、レイノルズ数の高い領域で
は乱流となり、流動抵抗が大となり流動によるエネルギ
ー損失が大となる。
流れの乱れは材料流動状態での工業プロセスの効率を
低下させたり被処理材のプロセス後の品質を劣化させる
ので、乱流を抑制する技術が望まれている。
一方、円筒管内に施回流速を強制的に与えると、軸方
向の主流速度と施回速度のバランスによっては乱れが抑
制されることがある。これは施回による乱流の層流化現
象として公知である。例えば、村上、菊山、西堀 回転
直管内の助走部の流れ(第1報 境界層の発達と遷移)
日本機械学会論文集 B編 47巻424号(昭和56−12)2
274−2281にもこのことが記載されている。
これに対して、特開昭63−310420号公報、米国特許47
21126号公報、米国特許4684296号公報などに、高レイノ
ルズ領域における流れを乱流でなく、エネルギー消費の
少ない流れにする技術が開示されている。これらの技術
は、コアンダスリットという特殊な流体送入方法及び構
造を必要とする。
第16図はこのような装置の一例を示したもので、レデ
ューサ2の上流に半径方向外側から流体を流入する流入
路54を設け、この流入路54から円周スリット53(コアン
ダスリット)を通って流体55を流入する。このコアンダ
スリットから噴出される流体は上流側からの流体52と共
に管路3内にエネルギー消費の少ない流れ56を形成す
る。
これらの技術では、 コアンダスリットがあるため1kg/cm2(104mmAq)以
上の高圧源が必要。
上流側を閉鎖すると流れ場が不安定になる。これが
開放されているとこの装置を有毒ガス、高温ガスなどの
プロセスに適用することが困難である。コアンダスリッ
トの吸引効果によって有毒ガス等を混合するとしても吸
引ガス量を多くすることができない問題がある。また混
合量比の高精度制御が困難である。
コアンダスリット部分の構造が複雑で、製造上、高
精度が要求される。コアンダスリット部分の流れの状態
が下流に大きく影響するので、この面でもコアンダスリ
ット部分の製造精度が要求される。またコアンダスリッ
トを設けるため、装置の半径方向の寸法が大きくなる。
〔発明が解決しようとする課題〕
本発明は施回流動を自生させ乱流を抑制する方法及び
その装置であって、上記のような従来の問題点を解決し
た方法及び装置を提供することを目的とする。すなわ
ち、 (a)コアンダスリットを用いないこと。したがってコ
アンダスリットのための高圧源を不要とすること。
(b)混合ガスの種類に制約されることなく、また混合
比の制御が容易であること。構造が簡単で半径方向の寸
法が小さいこと。
(c)直管部を設けることにより、安定性が向上し精密
加工を要しないこと。
(d)流体入口部の形状はこの装置の用途、取付位置そ
の他により多種多様に対応することができること。
〔課題を解決するための手段〕
本発明方法は、施回流動を自生させ乱流を抑制する方
法であって、軸対称の拡大または縮小流路に、この流路
と同心の環状の流速極小部を有する軸流方向の流体流を
形成することによって、この流体流中に施回速度成分を
自生させることを特徴とする。
上記方法を好適に実施するための本発明装置は、半球
殻体と、これに直接又は直管を介して連接するレデュー
サと、前記半球殻体の内面に向けて流体を流入し、半球
殻体内周面全面に沿って薄い膜状の流体流を形成する流
体入口とを備えたことを特徴とする。
この装置では、流体入口を種々の形状にすることがで
き、例えば、直管部壁面に流体入口を設け、流体の流入
方向を半球殻体の内面に向かって開口させ、その断面を
円形断面または円形断面を横から押し潰した断面形状を
有する一本の接続管としたり、半球殻体の内面に向かっ
て直管部壁面に開口した管軸方向に細長い横断面形状を
有する1個のスリットとしてもよく、また、半球殻体の
中心に向かって管軸方向から円形流を噴射する1本の挿
入管としてもよい。
また、半球殻体の中心に向かって管軸方向から円形流
を噴出する対向2本の挿入管、軸対称3本の挿入管、軸
対称の4本の挿入管としてもよい。
さらに、半球殻体の中心を貫通した挿入管の挿入端に
後方を向いている軸対称の1または複数開口、あるいは
多数の噴出孔でもよく、これらが2重管であってもよ
い。
これらの流入口の形状はこの装置を用いるプロセスの
条件によって適宜選択することができる。
〔作用〕
軸対称の拡大または縮小流路に、この流路と同心の環
状の流速極小部を有する軸流方向の流体流を形成する
と、流体流中に施回速度成分が自生する。この現像によ
って、流れの乱れエネルギーをうまく施回速度エネルギ
ーに置換されれば乱流を抑制することができることを示
唆している。しかしながら、施回流を強制的に与える方
式では、主流速度と施回速度のバランスの最適化が難し
いので実用に供することは困難である。また施回を与え
るエネルギーが必要となるので効率が悪い。
円筒管内にては流体現像を記述するナビエ・ストーク
ス方程式の軸対称かつ定常な施回方向流速解は得られな
い。すなわち施回流速はゼロである。ところが、レデュ
ーサまたはデフューザによる縮小または拡大流れ場を仮
定し、円筒管でも微少角の仮想的な縮小または拡大流れ
場を仮定すると、特別な主流流速分布のもとでは、軸対
称かつ定常な施回方向流速解の値が存在し得る。
この解の存在は発明者らがナビエ・ストークス方程式
を球面極座標で解析することによって初めて発見したも
のである。
上記の特別な主流流速分布、すなわち施回成分存在の
必要条件は、主流が次の2条件を具備することである。
A)軸対称の拡大または縮小流れ場であること。
B)流れは円環状極小点をもつ主流速分布であること。
この条件下でゼロでない軸対称でかつ定常な施回方向
流速解が存在する。したがって、強制的な施回を与える
ことなく施回流が自生する。
第15図はこれを模式的に示したものである。レデュー
サ2内に管壁に近い部分に流速の高い部分が分布してい
る軸方向流れ101を形成する。
この流れは進行するに従って断面の速度分布が中心に
流速ピークをもつ放物線の形状に近づいていくため、流
れ102に示すような円環状の流速極小部103を有する流れ
となる。
このときその流速極小部を施回流速のゼロ点とした施
回流104が自生する。この自生施回流は直管部3内でも
レイノルズ数が高い領域で乱流エネルギーが施回速度エ
ネルギーに置換された状態で持続する。それを図中の10
6に示す。
さらに、この自生施回の流速分布は施回方向に流体を
流入したり、流れガイドを用いて施回方向に主流をガイ
ドしたり、施回外力を加えたりした時の流速分布と異な
るため、上流で強制施回が生じてないという次の必要条
件が加わる。
C)施回方向速度成分がゼロに近いこと。
上記の自生施回流の発生の3つの必要条件を順序をか
えて再記すると次の3つに整理される。
軸対称の拡大または縮小流れ場 施回方向速度成分がゼロに近い軸方向流れ 円環状の極小点をもつ主流速分布 自生施回流動では、施回が自生することによって従来
乱流の乱れのエネルギーとしてあらわれていた流体エネ
ルギーが施回速度エネルギーに置換される。したがって
従来の同じレイノルズ数の流れと比較すると流れの乱れ
度が小さくなる。このようにして、自生施回流動により
乱流を抑制することができる。
前記、、の条件を実用装置で実現するため、流
れ方向とは逆方向に流体を流入しその流体が軸対称で円
滑に流れ方向を逆転し管壁に沿った高速流れを形成しや
すくするため、半球殻を用いた。
このように半球殻を用いることで流れの乱れが少なく
かつまた施回方向流速成分がゼロに近い軸対称流れがき
わめて形成しやすくなる。
また管壁に沿った高速流れが形成されるので円環状の
流れ極小点が高速流れの内側に容易に形成されるという
効果が得られる。
〔実施例〕
第1図は本発明を実施するための装置の基本システム
を示すもので、半球殻体1とこれに連接するレデューサ
2と、これに連結される管路3とから構成される。これ
に種々の流体流入口を付与すればよい。第2図は半球殻
体1とレデューサ2との間に直管4を介装したものであ
る。この直管4を介装することによって、流体流入口の
取付様式を各種に自由に変えることができ、また、本発
明装置の製作上の許容精度を緩和するなどの効果を奏す
る。
第3図は流体注入口5を直管部4に取りつけ、その流
入口5の断面を(c)図に示す円形、または(d)図に
示す円形を横から潰した形とする。このように円形を潰
した形とすると流れがスリット状となり流れの干渉が少
なくなり施回流速成分がゼロに近い流れが形成されやす
い。
このスリット状流れ7の状況を第3図(a)内に示
す。この円形を横から潰した形は、第3図(d)に図示
のひょうたん形に限らず、楕円形、長円形でもよい。こ
の潰した程度を変更可能にしておくと、流体流入量が一
定でも管3内に生ずる流動状態を変化させることができ
る。
第4図は第3図の流入口5に代えて、管軸方向に長い
スリット開口8を取りつけ、スリット状の流れ9を生ず
るものを示した。
第5図は、半球殻体1の内面の中心に向かって管軸方
向から円形流11を噴出する噴出口12を備えたスリット状
断面の流体流入口10を示している。
第6図はこの流体流入口13が円管でもよいことを示
し、噴出口14を備えている。
第7図は、第5図のスリット状断面の流体流入口15、
15aが2個軸対称形に配設され、それぞれ噴出口16、16a
を備えて噴流17を形成する。この流体流入口断面はスリ
ット状よりもさらに第8図に斜視図を示した翼形断面の
流入口18とし、噴出口19から噴流20を噴出するようにす
ると一層好適である。
第9図は軸対称な3個の流入口21a,21b,21cを設け、
噴出口22a,22b,22cを設けた例であり、第10図は軸対称
な4個の流入口23a,23b,23c,23dを設け、それぞれの噴
出口24a,24b,24c,24dを設けたもので、多数のガスを混
合する場合などに好適である。
第11図は半球殻体1の中央部後方から流体流入管26を
貫通して挿入し、その挿入側先端部に流体反射板27、流
体開口28を設けたもので、管26を通って流入する流体は
反射板27によって流入方向を変え、半球殻体の内面に向
かって噴出し、内面に沿って流れる。
第12図は第11図と同様の挿入管29の挿入側先端部が中
空球体をなしており、半球殻体1の内面に向かって流体
32を噴出する多数の孔31を備えている。この孔の開口方
向は第12図(b)に示すように、反球体1の内面側を向
いていればよいが、さらに第12図(c)に示すように18
0度方向変換して後方向きにするとよい。
第13図は、第12図の中空球体の代りに流入口35の先端
部に流入管の半径方向に噴出する多数の噴出孔37を設け
た例を示し、第14図は流入口が2重管38、39であって、
それぞれ半径方向噴出孔42、43を有するものである。こ
の流入口も2種の流体の混合に適している。
〔発明の効果〕
本発明によれば、施回流を自生した管路の流れによ
り、乱流を抑制した流れを得ることができ、この流れは
エネルギー消費の少ない流れとなる。本発明はこのよう
な流れを簡易な装置によって実現することができる。本
発明装置は設置位置、設置プラントの処理すべき行程等
に応じて種々の流体入口形状を有するように変形するこ
とができる。この装置はコアンダスリットのような複雑
精密な要素を必要とせず、有毒ガス等の取扱いにも適す
る。また、複数の異種流体の均一混合、混合比率の制御
等に有効で、広く産業界の各分野に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図は本発明の実施例の基本形の縦断面図、
第3図〜第14図はそれぞれ実施例を示す。第3図(a)
は第3図(b)のII−II矢視断面図、第3図(b)は縦
断面図、第3図(c)、(d)は第3図(b)のI−I
断面の2種の変化図、第4図(a)は第4図(b)のII
I−III矢視図、第4図(b)は縦断面図、第5図(a)
は正面図、第5図(b)は側面図、第5図(c)は第5
図(a)のIV−IV矢視断面図、第6図(a)は第6図
(b)のV−V矢視図、第6図(b)は側面図、第7図
(a)は正面図、第7図(b)は側面図、第7図(c)
は第7図(a)のVI−VI矢視断面図、第8図は流入口の
一例の斜視図、第9図は流入口が3個の例の横断面図、
第10図は流入口が4個の例の横断面図、第11図(a)は
第11図(b)のVIII−VIII矢視、第11図(b)は側面
図、第11図(c)は第11図(b)のIX−IX矢視図、第11
図(d)は第11図(a)のVII−VII矢視断面図、第12図
(a)は縦断面図、第12図(b)、(c)はその部分縦
断面図、第13図(a)(b)は縦断面図、第14図
(a)、(b)は部分縦断面図、第15図は本発明の原理
説明図、第16図は従来技術の縦断面図である。 1……半球殻体、2……レデューサ 3……管路、4……直管 5、6、8、10、13、15、15a、18、21a、21b、21c、23
a、23b、23c、23d、26、29、35……流体流入口
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭61−8153(JP,A) 特公 平1−58405(JP,B2) 実公 昭63−50483(JP,Y2) (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) F15D 1/02

Claims (10)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】軸対称の縮小流路に、該流路と同心の環状
    の流速極小部を有する軸流方向の流体流を形成し、該流
    体流中に施回速度成分を自生させることを特徴とする施
    回流動を自生させ乱流を抑制する方法。
  2. 【請求項2】半球殻体と、これに連接するレデューサ
    と、前記半球殻体の内面に向けて流体を流入し、内面全
    周面に沿ってレデューサ方向に流れる薄膜状の流体流を
    形成する流体入口とを備えたことを特徴とする施回流動
    を自生させ乱流を抑制する装置。
  3. 【請求項3】半球殻体とレデューサとの間に直管を介装
    した請求項2記載の装置。
  4. 【請求項4】流体入口が半球殻体の内面に向かって直管
    壁面に開口した円形断面または円形断面を横から押し潰
    した断面形状の一本の接続管である請求項3記載の装
    置。
  5. 【請求項5】流体入口が半球殻体の内面に向かって直管
    壁面に開口した、管軸方向に細長い横断面形状を有する
    スリットである請求項3記載の装置。
  6. 【請求項6】流体入口が半球殻体内面の中心に向かって
    管軸方向から円形流を噴出する1本の挿入管である請求
    項2または3記載の装置。
  7. 【請求項7】流体入口が半球殻体内面の中心に向かって
    管軸方向から円形流を噴出する軸対称複数本の挿入管で
    ある請求項2または3記載の装置。
  8. 【請求項8】流体入口が半球殻体の中心を貫通した挿入
    管の挿入端に後方へ向いて軸対称の開口を有する請求項
    2または3記載の装置。
  9. 【請求項9】流体入口が半球殻体の中心を貫通する挿入
    管の挿入端から半径方向に噴出する多数の噴出孔を有す
    る請求項2または3記載の装置。
  10. 【請求項10】挿入管が2重管である請求項9記載の装
    置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP5105292B2 (ja) * 2007-10-02 2012-12-26 国立大学法人東京農工大学 流体移送装置及び流体移送方法

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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