JPS5836207B2 - 回流水槽の境界層制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は回流水槽の境界層制御装置に係り、特に、一般
流の流速を種々に変えても水槽壁面、底面等の境界面に
形成される境界層内の流速分布を容易に所望の流速分布
に改善できると共に、境界層の流速変動を減少させ、そ
れによる水槽内の一般流の流速分布を一定に維持し得る
回流水槽の境界層制御装置に関する。

一般に、回流水槽は船舶や水産工学等の分野において模
擬実験用として使用されているが、特に漁具、漁網等の
実験を行なう水産関係において、例えば底引網のように
海底付近で使用されるものの実験を行なう際には、水槽
の底面付近に形成される境界層の影響により実験誤差が
太き《なるという問題があった。

このため、境界層外の一般流より流れの遅い境界層流を
加速させる境界層制御の方法として、従来より境界層内
に噴流を吹出す方法、及び境界層内流体を吸込む方法等
が提案されている。

しかしながら、従来のどちらの方法もその吹出量及びそ
の吸込量は一定に設定されており、流速が変動し易い境
界層を制御する方法としては満足なものではなかった。

また、一般流の流速を種々に変えて実験する場合には、
その度に境界層内流速を測定しつつ吹出量あるいは吸込
量を手動で変える等の試行錯誤により層内流速分布を最
適な流速分布に設定していた。

本発明は以上のような問題を有効に解決するために創案
されたものである。

本発明の目的は、境界層流中と一般流中との動圧を動圧
検出手段で検出し、境界層流の動圧値を一般流の動圧値
に近似させるように、制御手段が境界層流を加速する加
速手段の作動を制御するよう構成したことにより、一般
流の流速を種々に変えても、容易に境界層の流速分布を
所望の流速分布に改善できると共に、境界層の流速の変
動を防止し境界層の流速分布を一定に維持し得る回流水
槽の境界層制御装置を提供することにある。

上記目的は、本発明によれば次の構成により達成される
。

即ち、本発明の構成は回流水槽内に形成される境界層の
層内流速分布を制御し、流速分布を改善する回流水槽の
境界層制御装置において、上記回流水槽に設けられ、境
界層内流体を吸引し、あるいは境界層に噴流を吹出す等
して境界層を加速する加速手段と、上記境界層流中と境
界層外の一般流中とにそれぞれ設けられそれぞれの動圧
（一流速）を検出する動圧検出手段と、該動圧検出手段
から得られる一般流の動圧値と境界層内流の動圧値とを
比較し、境界層内流の動圧値を一般流の動圧値に近づけ
るように上記加速手段を作動制御する制御手段とを備え
て、上記動圧検出手段から得られる一般流の動圧値と境
界層内流の動圧値との差圧が予め設定した上限値を越え
るときには、上記制御手段により境界層を加速する加速
手段の強制加速力を増加させるようにし、一方上記差圧
が予め設定した下限値以下のときには制御手段により加
速手段の強制加速力を減少させるように制御するように
したことを特徴とする。

以下に本発明の好適実施例を添付図面に従って詳述する
。

第１図において、１は回流水槽であり、２はその水路で
ある。

水路２には水などの流体が図中右方向に流れており、３
は水路２の底壁である。

底壁３には、底壁３付近の境界層を吸込む吸込口４と吸
込口４から吸込んだ流体を再び水路２内に放出する放出
口５とが設けられ、吸込口４と放出口５とは水路２外に
配設された配管６により連通されている。

配管６には吸込口４から境界層内流体を配管６内に吸込
むためのポンプ７と吸込口４より吸込まれる流体の吸込
量を調節するためのバルブ８とがそれぞれ設けられてい
る。

水路２の一般流中と境界層流中とにはそれぞれ上下に位
置させて動圧検出手段Ｄであるピトー管９ １０が設け
られている。

ピトー管９で検出された一般流中の動圧ｐ１ とピト
ー管１０で検出された境界層中の動圧ｐ２ とを入力と
して、一般流の動圧と境界層の動圧との差圧ｐ１Ｐ２に
比例する電気信号を出力する差圧変換器１１が設けられ
ている。

差圧変換器１１は、ここでは模式的に示されており、一
般に市販されているものを使用出来るが、その機構とし
ては例えばそのケーシング１２を２室に区画するダイヤ
フラム１３が設けられ、一方の室１４とピトー管９との
間にはピトー管９で得られた一般流の動圧を室１４へ伝
達するための伝達管１６が介設され、同様にして他方の
室１５とピトー管１０との間には伝達管１７が設げられ
ているようなものである。

また、原理的に言うと差圧変換器１１には、室１４ １
５の動圧差により変位する例えばダイヤフラム１３の変
位量に基いて、これを一般流と境界層流との動圧差ｐＩ
Ｉ）２に比例した電気信号ｊｐに変換する電気回路
（図示せず）が設けられている。

伝達管１６，１７にはそれぞれピトー管で得られた比較
的に早い動圧変動を平滑化した動圧変動に変換する機能
を有する空気溜１８，１９が設けられている。

差圧変換器１１と制御回路２０とは電気的に接続され、
制御回路２０は差圧変換器１１から出力される一般流と
境界層流との動圧差１）１ １）２に比例した電気信
号Ａｐを増幅する。

さらに、制御回路２０はこの増幅値を予め設定された範
囲内に制御すべく、言い換えると一般流と境界層流との
動圧差（速度差）をある圧力差内に制御すべく、上述し
たポンプ７を作動するモータ２１の回転数またはバルブ
８の開度を制御する制御信号を出力し、吸込口４からの
吸込量を調節するように構成されている。

本実施例においては、制御手段Ｃは主に空気溜１８ １
９と差圧変換器１１および制御回路２０により構成され
、また境界層流の加速手段Ａは主にポンプ７、モータ２
１，吸込口４および配管６により構威されている。

以上要するに、本実施例の装置は、回流水層１の境界層
内流体を吸引し加速する加速手段Ａと、一般流中に設け
られその動圧Ｐ１ を検出するピトー管９及び境界層内
代表位置に設けられその動圧Ｐ２を検出するピトー管１
０からなる動圧検出手段Ｄと、動圧検出手段Ｄから得ら
れる一般流の動圧値Ｐ１ と境界層内流の動圧値Ｐ２
との差圧Ｐ１Ｐ２ に基づき、これを所定の範囲内に制
御すべく、加速手段Ａを作動制御する制御手段Ｃとから
構成されている。

次に本実施例の作用について述べる。

底壁３付近を流れる流体の流速は、底壁３が存在するた
めに摩擦等により、一般流の流速Ｕよりも遅くなり、底
壁３付近には、底壁３からの距離Ｚでの流速分布を示す
第２図のような大きな速度勾配を有する境界層が形成さ
れる。

ところが、ポンプ７を作動させて吸込口４から境界層を
配管６内に吸込むと、第３図に示すように、吸込口４付
近には流速Ｕ２の下向きの流れが起こり、吸込む前の水
平方向の流速Ｕ１ は流速Ｕ１ と流速Ｕ２ とを合成
した図中Ｕ３で示すような流速となり、境界層流は加速
される。

この結果、吸込口４の下流側での流速分布は第２図の流
速分布から第３図に示す流速分布へと改善される。

（第３図の斜線で示す部分Ｖの容積にあたる流体が吸込
口４より吸取られたと考えることができる。

）また吸込口４から吸込む吸込量を増減することにより
、境界層流の加速の程度を調節することができる。

一般流の流速により生ずる動圧ｐ１ はピトー管９で検
出され、また境界層内代表位置の流速により生ずる動圧
ｐ２はピトー管１０で検出される。

流速の変動に伴って、ピトー管９，１０で検出される動
圧も変動するが、これら動圧変動は伝達管１６ １７に
それぞれ設けられた空気溜１８１９により平滑化された
動圧変動に変換される。

特に、境界層内の流速の変動は通常不規則で比較的に早
い変動であり、第４図に示すような変動をする。

（第４図は、時間ｔに対して流速変動に伴う変動圧力値
Ｐを示したものである。

）。しかしながら、空気溜を設けたことにより早い圧力
変動は平滑化ないしは平均化され、第５図に示すような
、なだらかな変動となる。

このように圧力変動が平均化されるため、通常では制御
が困難な変動流に対しても、安定な制御を行なうことが
できる。

平均化された動圧は伝達管１６．１７を介して、それぞ
れ差圧変換器１１０室１４ １５に伝達され、一般流と
境界層流との動圧差ｐＩ Ｐ２に比例した電気信号ｊ
ｐに変換され、制御回路２０に入力される。

入力された電気信号Ａｐは増幅され、この増幅値が予め
設定した上限値より大きい場合には、すなわち一般流と
境界層流との速度差が予め設定した速度差より大きい場
合には、制御回路２０はポンプ７を作動するモータ２１
の回転数を増加させる制御信号を、またはバルブ８の開
度を増す制御信号を出力し、吸込口４からの吸込量は増
大され境界層流は加速される。

一般にはｐＩ＞ｐ２であり、Ａ ｐ ＞ ０であるため
、制御回路は増幅値が設定値以下になるように制御され
る。

また、増幅値が予め設定した下限値（Ｊｐ＞００範囲で
の許容値を意味する）より小さい場合には、制御回路２
０はモータ２１の回転数またはバルブ８の開度を減少さ
せる制御信号を出力し、吸込口４の吸込量は減少し境界
層流は減速される。

このようにして、境界層流の流速は、一般流と境界層流
との速度差が予め設定した速度差内に収まるように制御
される。

従って、境界層流の流速は一般流の流速に近付き、底壁
３近傍で実験を行う際に問題となる境界層の影響は少な
《なる。

また、一般流の流速Ｕを種々に変える場合にもそれに応
じて常にｐ１−ｐ２が一定の許容内に収まるように境界
層内の流速が制御されるので、自動的に水路２内の流速
分布は容易に所望の流速分布に維持される。

なお、上記実施例では境界層を吸込んで加速する制御装
置を示したが、境界層内に加速流体を吹出して境界層流
を加速するようにしてもよく、この例を第６図に示す。

第６図において、２２は底壁３に設けられた加速流体の
吹出口である。

その他の構成は上記実施例とほぼ同様であり、吹出量を
制御して境界層流の流速を制御する。

また、動圧検出手段Ｄとしてはピトー管にかえて一般の
小型の流速検出装置または半導体圧力検出器などによっ
て動圧を検出するようにしてもよい。

上記実施例では水槽の底壁３付近に形成される境界層を
制御する例を示したが、上記装置を用いて水槽の側壁付
近の境界層を制御することも容易である。

また吸込口４、吹出口２２の位置は回流水槽の観測部内
の適当な個所に線または面状に分布させてもよく、本構
戒の原理の範囲内で応用できることは勿論である。

以上の説明で明らかなように本発明によれば次のような
優れた効果を発揮する。

（１）境界層流を加速し、その流速を一般流の流速に近
似し得、回流水槽で実験する際に問題となる境界層の影
響を除去または減少できる。

（２）水槽を流れる一般流の流速を種々に変えると境界
層の厚さや流速分布が変化してしまうが、それに応じて
迅速に最適状態に制御し境界層の流速分布を容易に所望
の流速分布に改善することができる。

（３）境界層に起因する流速変動を防止し得、境界層の
流速分布を一定に維持でき、従って一般流の流速変動が
減少する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る装置の一実施例を示す縦断面図、
第２図は吸込みを行なわない場合の流速分布を示す図、
第３図は吸込みを行なった場合の流速変化及び流速分布
を説明する図、第４図は圧力の時間的変動を示すグラフ
、第５図は平滑化された第４図の変動圧力を示すグラフ
、第６図は本発明の別の実施例を示す縦断面図である。 図中、１は回流水槽、Ａは加速手段、Ｄは動圧検出手段
、Ｃは制御手段、ｐ１は一般流の動圧値、ｐ２ は境界層流の動圧値である。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 回流水槽内に形成される境界層の層内流速分布を制
   御し、流速分布を改善する回流水槽の境界層制御装置に
   おいて、上記回流水槽に設けられ境界層流を加速する加
   速手段と、上記境界層流中と境界層外の一般流中とにそ
   れぞれ設けられそれぞれの動圧を検出する動圧検出手段
   と、該動圧検出手段から得られる一般流の動圧値と境界
   層内流の動圧値とを比較し、境界層内流の動圧値を一般
   流の動圧値に近似させるように上記加速手段を作動させ
   る制御手段とを備えた回流水槽の境界層制御装置。