JPS633263B2 - - Google Patents

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速度を測定するに
は、ピトー管を使用する方法と、流れ速度の変化
に伴つてセンサ（電線から成る）から奪われる熱
量に変化が生じセンサ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、いずれも流れ場内にピト
ー管あるいはセンサを設置しなければならず、流
体の流れを変えて実際のものと違うものにしてし
まう。また、ピトー管は狭小な流れ場に設置する
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つか
りした支持構造が必要なことから、同様である。
更に、いずれの測定法においても、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
とはできない。

斯様に従来の水流モデルにおける流速測定法に
あつては、非接触状態下に速度を測定できなかつ
たため、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ユミレータ
とする上で重要であり、望まれていた。

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提供することを目的とす
る。

斯かる目的を達成するため、本発明は、モデル
水槽と圧力水供給源とを繋ぐ管路に直径３mm以下
の小孔を少なくとも１つ穿孔したオリフイスを設
置してオリフイス通過時の局所的圧力低下に伴う
脱気現象によつて微細かつ均質な気泡を水流中に
大量に出現させ、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
にスリツ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個のフオトセン
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オトセンサ間の移動時
間として速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
いて詳細に説明する。

第１図に本発明方法を実施する水流モデル可視
化装置を概略図で示す。この可視化装置は、可視
化しようとする流れ場を再現するモデル水槽（以
下水槽と略称する）１と、この水槽１に気泡４を
混入させた流体・水を例えば底面から供給する流
体供給ユニツト２及び水槽１内の流れ場にスリツ
ト光５を照射するスリツト光源３とから主に構成
されている。この可視化装置において、水槽１の
底面から流入した流体は、水槽１内において流れ
場を再現したのち水槽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
以外の異物を含んでおらず又気泡も一部を除いて
再び水に溶け込んでしまうため、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・水を供給する流体
供給ユニツト２は、図示しない圧力水供給源と水
槽１の流体噴出口７とを結ぶ管路８の途中に設け
られたオリフイス９とから成り、オリフイス９部
分における局所的減圧作用に伴う脱気現象によつ
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。

オリフイス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。オリフイス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
な関連性があり、小孔直径が３mmを越えると、発
生気泡４が極めて不均質となり精密な測定や定量
測定に適さなくなる。一般に気泡をトレーサとし
て使用する場合、流れへの追随性不良による誤差
及び浮力による誤差を考慮すれば、可視化による
最適な気泡直径は0.06〜0.2mmの範囲であること
が好ましく、更に気泡４の水中への溶け込みが早
期に起こらないような条件を鑑みれば0.1mm前後
が最も好ましい。そこで、オリフイス９の径と発
生気泡４の粒径割合との関係を求めた本発明者等
の実験結果（第３図）によると、直径３mmのオリ
フイス９では可視化に最適な直径0.2mm以下の気
泡４が70％程度を占めその平均直径は0.113mmで
あつて概ね均質なものであるが、直径４mmのオリ
フイス９になると直径0.2mm以下の気泡が30％程
度と低く不均質となる。この実験結果から好まし
いオリフイス径は、φ1.5mm以下であり、最も好ま
しくはφ0.8mm以化下φ0.5mm以上である。直径0.5
ml未満のオリフイス９を除いたのは流体中の塵で
目詰りを起こし却つて気泡発生が不安定となるか
らであり、上流に効果的なフイルタを設置して塵
を完全に除去できるのであれば0.5mm未満の直径
でも良い。第３図の実験結果によると、オリフイ
ス径0.8mmで９Kg／cm²の圧力を加えた場合、直径
0.0781〜0.2106mmの範囲の気泡４が発生している
ことが拡大写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で可視化最囲の中で最も好
ましい気泡径といえる。ここで、流量を増加する
場合には、オリフイス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
含有率を一定にできる。

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よつて横断面方形の
角筒形に形成されており、上方に排水口６を底面
に水流噴出口７を有する。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、フアーネス内の流
体の流れを可視化する場合等にはそれ自体がモデ
ルの一部として使用される。したがつて、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口７には観察しよ
うとする流れ場を再現す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。もつとも、モデルを水流噴出口７から離して
水槽１内に設置し、水流噴出口７においては流れ
に何ら変化を与えない場合もある。本実施例の場
合、バーナノズルモデル１０とバーナタイルモデ
ル１１とが設置され、燃料と空気の混合状態、そ
の割合などを測定するため、バーナノズルモデル
１０からは気泡４が混入された流体（燃料に相当
する）を噴出させると共にその周囲からは気泡が
混入されていない流体（二次空気に相当する）を
噴出させてバーナタイルモデル１１内で両者を混
合させるように設けられている。勿論、この水流
噴出口７の個数及び位置は図示のものに限られな
い。例えば、フア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はバーナの配置位置
が熱分布に与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、スリツト光源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、スリツト光５の入射方向を90〜
145度の角度の位置で最適の乱反射が得られるこ
とからそ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ずとも気泡のみが散乱光によ
つて目立つので観察が容易である。ここで、光吸
収体とは水槽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
する面即ち輪切りにして観察する場合には、流れ
場を横切るスリツト光５に対して90〜145度の範
囲とは水槽１の天井・上方となる。したがつて、
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内にスリツト光５を照射するスリツ
ト光源３は、公知のいかなる手段でもよい。例え
ば、スライド映写機にスリツトを入れた板を挿し
込みスリツト光を得るようにしても良い。この場
合、スリツトの切込み方向を変えた幾枚かのスリ
ツト板を用意することにより流れの任意の断面を
透過するスリツト光５を得ることができる。スリ
ツト光５は気泡４に当たつて乱反射するが、その
散乱光は光が入射した方向から90〜145度の範囲
で最もよく検出される特性を有している。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、それは散乱光の強度が濃
度に対応することを意味する。

そこで、まず、圧力水供給源から水槽１に向け
て流体を圧送する際に、オリフイス９における局
所的減圧作用に伴なう脱気現象によつて流体内に
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。そし
て、この微細かつ均質な気泡を密に含んだ流体で
水槽１内に所望の流れ場を再現する。そこへ、ス
リツト光５を照射すると、スリツト光５が気泡４
によつて乱反射し散乱するので、水流中における
気泡４の存在が第４図に示すように火の粉の如く
明瞭に表われ流れを可視化する。このとき、散乱
光の強度は単位体積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
度に比例することを意味することから、気泡の流
体中における粗密状態即ち濃度を散乱光の強度と
いう観点から目視観察できる。

更に、この水槽１内の流れは、第２図に示すよ
うに、水槽全面のTVカメラ２０で撮影されてモ
ニタテレビ２１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濃度の変
化即ち散乱光の変化がブラウン管上のフオトセン
サ２２によつて測定され電気的信号例えば電圧の
変化として検出される。

ここで、気泡４をトレーサとして使用すること
により流体の流れを可視化できるとしても、一つ
の気泡４を特定してその気泡４が所定距離Ｌを移
動する時間を測定することは不可能である。しか
し、微細かつ均質な気泡が密に含まれた流体が作
り出す流れ場において、一定濃度の気泡群が移動
する現象は一つの測定点において濃度変化として
表われる。そして、この気泡群の移動現象は、極
めて近い他の点においては極めて類似する波形の
濃度変化として表われる。このことから、気泡群
の近接する二点間における移動時間は、両点にお
ける濃度変化の時間的ずれとして把えることがで
きるとの知見をするに至つた。

そこで、モニタテレビ２１のブラウン管上に更
にもう一つのフオトセンサ２３を設置し、近接す
る二点における濃度変化即ち散乱光の変化を夫々
測定する。尚、フオトセンサ２２，２３は、光学
的信号を電気的信号に変換するもので、本実施例
の場合フオトダイオードを使用しているが、この
他のフオトセンサを使用しても良い。

フオトセンサ２２，２３を通じて電気的信号に
変換された瞬間的な濃度変化はフイルタ２４を通
してモニタテレビ２１の画面のスキヤン信号を除
去した後ミニコンピユータ２５に夫々入力され
る。そして、ミニコンピユータ２５において、
夫々の測定点で起こる濃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。前述したように、接近した二つの測定点にお
いては第５図に示すように似た濃度変化が起こ
る。そこで、各測定点における濃度変化を統計的
に処理して特徴的なピークを各々を求め、このピ
ークを基準にして最大遅れ時間ｔを求める。最大
遅れ時間即ち気泡群のフオトセンサ２２，２３間
移動時間Δtが求められれば、フオトセンサ２２，
２３間の距離ΔL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、デイスプレイ２６に出力されて測定値が画面
表示され、更にXYプロツタ２７においてXY座
標に測定値が夫々プロツトされて二次元的に速度
変化が表示され、更にプリンタ２８において数値
として印字表示される。

尚、モニタテレビ２１のブラウン管上における
散乱光の輝度測定は、測定領域中もつとも暗い部
分でも微小出力例えば３ｍＶ程合を示すように、
またもつとも明るい部分が測定レンジの最大値近
くなるようにモニタを調整して行なうことが必要
である。また測定位置の変更は、モニタテレビ２
１のブラウン管上のフオトセンサ２２及び２３を
移動させることによつても行ない得るが、ブラウ
ン管の中央が周辺よりも安定かつ明るい輝度を得
ることができるので、フオトセンサ２２，２３の
位置を固定したままTVカメラ２０をトラバース
（図示省略）にて微動させることにより撮影個所
を変更する方が好ましい。また、散乱光の測定
は、水槽１内に流れ場を再現するのと同時に進行
する必要はなく、一度水槽１内に流れ場を再現し
てその様子をTVカメラ２０て撮影する際に図示
しないビデオ装置に録画しておけば、これをモニ
タテレビ２１に映し出すことにより何度も測定可
能となる。更に、狭く複雑な流れ場であつても、
撮影する際にズームアツプすることでフオトセン
サ２２及び２３の相対的小形化を図り測定を可能
とする。

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ツト光を当て
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移し出すと共に近接
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個のフ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
記フオトセンサ間の移動時間として速度を求める
ようにしたので、精確な流速測定が非接触状態下
に実施できる。確言すれば、本測定方法によれ
ば、流れ場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、本測定方法は、流速測定に先立つて気泡
を含む流体で流れ場を形成しこれにスリツト光を
当てて任意断面における流れの可視化を図つてい
るので、計器により速度測定と同時に目視による
流速観察及び流れ場の状況即ち定性的測定も可能
であるし、散乱光の変化によつて流れ場全域にお
ける濃度変化も観察できる。また、本測定方法
は、流れ場をTVカメラで撮影した後モニタテレ
ビに映し出してからフオトセンサで測定するよう
にしているので、流れ場の任意の場所を任意の大
きさに拡大して測定できるとともにビデオ装置に
録画しておけば実際の水流実験を行なわず、いつ
でも測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１は本発明にかかる水流モデルにおける速度
測定法を実施する装置のうち可視化装置部分の概
略図、第２図は同じく速度測定装置部分の概略
図、第３図はオリフイス径と気泡粒径割合との関
係を求めた実験結果を示すグラフ、第４図は可視
化された流れ場を示す説明図、第５図は第２図の
装置においてフオトセンサで測定された濃度変化
の位相を示すグラフである。 １……モデル水槽、４……気泡、５……スリツ
ト光、８……管路、９……オリフイス、２０……
TVカメラ、２１……モニタテレビ、２２，２３
……フオトセンサ、２４……フイルタ、２５……
ミニコンピユータ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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
   フイスを設置してオリフイス通過時の局所的圧力
   低下に伴う脱気現象によつて微細かつ均質な気泡
   を水流中に大量に出現させ、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、
   この流れ場にスリツ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個のフ
   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オトセンサ間
   の移動時間として速度を求めることを特徴とする
   水流モデルにおける速度測定法。