JPS5987340A - 水流モデルにおける濃度測定方法 - 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１妾触状！？！＋　Ｈ
に流れ場の任意個所の瞬間的な濃度を測定りる方法に関
Ｊる、１ 従来、水流モデルにおいて淵麿を測定でる方法としく（
ま、流体の一部を抽出づるサンプリング法と流れ場を作
り出づ一方の流体に塩水を使用しτ加分温度の変化を電
気伝導度の変化として測定覆る電気的測定η、とがある
。しかし、これらの温度測定法は、いずれも流れ場内に
抽出管あるいはｌ？ンザを設（「ｊしなければならない
接触型のため、流体の流れを実際のものと異なるものに
変えてしまう問題がある。また、サンプリング法に４３
いては、瞬間々々の濃度変化を測定できず、平均化され
たものとして把えるしかなく、測定精度が低下するとい
う欠点がある。また、電気的測定法においては、濃度変
化を電気的にしか把握覆ることができず、併せて流れの
現象を目視観察Ｊることができない。斯様に、水流上デ
ルにおいて非接触状態下で瞬間的な濃度を精確に測定す
る方法、殊に流れの現象を併゛ｌて１８？観察できる方
法は従来から存在しなかった。尚、流れ全域の動向を一
目でＩＩＱ察でさる可視化法どして気泡をｉ〜レーサに
用いる気泡式１〜ｌノーリー法が古くから使用されてい
るが、この方法は微細かつ均質な気泡を流体に密に含ま
ｔｌ（Ｑないため定ＩＢ化できないので温度測定には従
来から使用でさイ【い。

本発明は、気泡を１〜レーりどｌ）で用い、水流モデル
におい−て非１区触状態下に流れ場の任意個所の瞬間的
な濃度を測定し１０る方法を提供りることを目的とする
。

斯かる目的を達成りるため、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（−）１つ穿孔したＡリフイスを設置ｔノ”ｃ−Ａ
リフイ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間に出現さ１！、こ
の微細かつ均質な気泡を密に含む水流（・水槽内に流れ
場を再現ｌ）、この流れ場【、ニスリット・光を当てて
気泡での乱反ｑ・ｉにより任意断面にお１−ｊる流れを
可視化Ｊる一方、散乱光をＴＶカメラで囮影しこれをモ
ニタテレビのブラウン管に映し出づど共に任意の点にＡ
３りる１１シ乱尤の強さを前記ブラウン？１１のノＡ１
−レンりて測定して電気的信号（４二変換し、これを前
記水槽の水流噴出Ｄ　＋ｊ近のｊｊシ乱光からｊＩＪら
１また幇卑電気ｆハ８ど比較演ｎ１）測定点にｉｌ’３
　ｔノる１Ｉｉ８　葭を求めるようにしたｔ）のである
。

１ズ下ホ発明を図面に示？Ｊ装置にＪｌ（づいて詳細に
説明づ−る。

第１図に本発明方法を実施りる水流ｔアル可視化装置を
概略図で示ず５．この可視化装置に１１、可視化しよう
とづる流れ場を再現するＬ−１゛ル水槽（以ト水槽と略
称づる）１と、この水槽１に気泡４を混入さｌだ流体・
水を例えば底面から供給りる流体供給コニツ［・２及び
水槽１内の流れ場にスリット光５を照用ｑるスリット光
源３どから主ＬＺ、　ｔＭ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、　ｉｌ３いて流４′１場を再現（〕Ｉこの１つ
水槽１の上方の１ノ１水１−１６から図示１ノない１ノ
１水管を通じて川水される。１ノ１水ｋＬ気泡以外の異
物を含んＣおらず又気泡も　部を除い（−　、５− 再び水に溶（〕込んで・しまうため、何らの処ｒり！を
施す−ことイ１−＜イのｉｌ　：Ｌυ１水Ｉノて１）Ｊ
：いし、そのままの状態で再使用Ｊるごとも可能である
。尚、流体を水１ｆ’ｌ　１の１−プｊから尋人１ノ底
面からυｉ水りることも、また側壁から導入づ−ること
もある。

ここＣ゛、１１１１記水槽１に流体・水を供給田る流体
供給コニツ１〜２は、図示しない圧力水供給源と水槽１
の流体噴出１−１７とを結ぶ費路８の途中に設けられた
ΔリノＣス９とから成り、２９７１２９部分における局
所的減圧作用に伴う脱気現象にＪ−っ−（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を人ｍに含んだ流体と（〕Ｃ供給づるらの
である。

Ａリンス９は、直径３＋ｎｍ１ｘ下の小孔を少な（どし
１つ穿孔したものである。Ａリフイス９の小孔のｆ￥ど
発／１気泡４の直径及び均質栢どには密接な関連１／Ｉ
があり、小孔直径が３ＩＩｌ１１１を越えると、発生気
泡４が極めて不均質ど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りる場合、
流れへの追随ｖ１不良による誤差及４− びＩ”ｌ　Ｊ）にＪ、る誤差を名慮りれぽ、可視化に、
１、る最適イヱ気泡直径はＯ１○Ｇ〜Ｑ、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１ノ込
みが〒明に起こらない」、うな条件を鑑みれば０．１１
１　ｎｌ　ｉ？ｉ　ｔｕが最もり了まｌノい。イこで、
Ａリフイス９の径と発（１：気泡４の粒径割合との関係
を求めた本発明名等の実験結果（第３図）によると、１
ｉｌＴ？￥３ｍｍのΔリフｒス９では可視化に最適イ【
直径Ｑ、２ｍｍ以−Ｆの気泡４が７０％程度を占めその
平均直ｆ〒４．１０．１１３ｍｍであつ′Ｃ概ね均質な
−ｂのであるが、直径４ｍｍのＡリフイス９になると直
径Ｑ、２ｍｍ以下の気泡が３０％程磨と低く不均質とな
る。この実験結果から好ましいＡリフイス径は、φ１，
５ｆｆｌｌｌ＋以下であり、最も好ましくはφＱ、８ｎ
ｖ以下φ０．５ｍｍ以上である。自在０．５ｍｍ未満の
Ａリノｒス９を除いたのは流体中の塵で目詰りを起こし
却って気泡発生が不安定どなるからであり、上流に効果
的なノＣルタを設置］ノて塵を完全に除去できるのであ
れば０．５ｍｍ未満の直「でし良い。第３図の実験結果
にＪ、るど、Ａリフイス径０．８ｎｖで９ｋｑ／ｃ口１
２のｎ−力を加λた場合、１（１ｔ￥０．０７８１〜０
．２１０６ｍｍの範囲の気泡４が発生していることが拡
人写貞をマイク［］ス］−プで８１１１定することにＪ
、り確認された。イして、イのどぎの気泡の平均的径は
ほぼＱ、１ｍｍで可視化昼間の中で最も好ましい気泡径
どいえる。ここで、流量を増加する場合には、Ａリフイ
ス９の小孔をふやして発生気泡を増♀りることにＪ、り
流イホ中に含まれる気泡の金石率を一定にできる。

まｌこ、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ｆｌ祠利にＪ、って横断面方形の角筒形に
形成されて４５す、上方にｉｌｌ水口６を底面に水流噴
出［１７を有する１、この水槽１は、ノズルＶ）バーブ
等の水流モデルの場合に（Ｊ、流れ場を形成！１゛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１
＋Ｊ視化づる場合雪にはでれ自体が℃ア′ルの一部とし
て使用される１、シたがって、水槽１の形状は図示さ１
１ているものに限ら１１づ゛、円筒Ｖ〉エルボ管形等の
必要に応じた種々の形状を採り得る。まＩＪ、水槽底面
の水流噴出「１７には観察しようどする流れ場を再現づ
゛るモデル例ンばノズル■−デルやバーナモデル１０等
が一般に取イ・１【プ１うれる５゜もっども、［デルを
水流噴出ロアから頗して水（ｆ１１１内にｍ置し、水流
噴出ロアにおいては流れにｆｉｔら変化をｔｉえない揚
台もある。本実施例の場名、バーナノズルモデル１０と
バーナモデル１０“ル゛１１どが段「１され、燃￥１１
と空気の混合状態、ぞのｉ！ｉ’１合などを測定する！
こめ、バーナノズルモデル１０から１；１気泡４が混入
された流体（燃１１１に相当覆る）を噴出させるどＪξ
にその周囲からは気泡がｉ［１１人（＼れでいない流体
（二次空気に相当７」る）を噴出さイｊ １ｊでバーナタイルモデル９内で両省を混合１ｇ１ｉる
ように設けられている。勿論、この水流噴出１１７の個
数及び位］６は図示のものに限られ４ｒい６３例λば、
フッ・−ネスに複数のバーナをｉｉＱ　１ｆｆｌｌ　７
する場合の水流モア゛ルのとぎにはバーノーの配ｊＩＩ
位買が熱分／ｌｉにうえる影響を水流モデルを使用し了
観寮りる場合があるからである。尚、本実施１！’ＩＩ
の水槽１は周に♀全面を透光↑ＩＩ　＋Ｊ　Ｐ＋で形成
］ノていることから、観察者ないし観察機器に対向する
而がＩＱ察窓に相当　７− し、スリット光源３に対向りる而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月利で形成１ｊる
必要はなく、少なくとも観察窓と入射光窓がイうであれ
ば足りる。この観察窓と入ｑ・Ｉ光窓は、スリット光５
の入射方向と９０〜１／１５度の角度の位「１で最適の
乱反射が１！Ｊられることからでの範囲に位（ｎさせて
お（Ｊば良く、水槽１を円筒型に形成覆る場合には周壁
の９０〜１４５度の範囲を透孔材料で形成することにに
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）を光吸収体で形成づれば、観察
室内の照明を落とさずとも気泡のみが散乱光によって目
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名色したものでも良い１、史に、
流れ場の状態を流れ方向と直交する面部ら輪切りに（）
てＷｌ察づる揚台には、流れ場を横切るスリット光５に
対して９０〜１４５度の範囲とは水槽１の天１［・上方
と４Ｔる。したがって、この場合には水槽１の上方に観
察？′ｉない（〕観察（幾器を設置Ｆｌする。

８− 史に水槽１内にスリット＞１’、　！５を照射づるスー
ツ１〜光源３は、公知のいかなる手段でもにい、１例λ
ぽ、スライド映写機にスリン１〜を入れた板を届し込み
スリン１〜光を得る」、うにしてｔ）良い。この場合、
スリットの切込み方向を変えた幾枚かのスリブｌ−板を
用意覆ることにより流れの任忌の断面を透過り°るスリ
ット・光５を青ることがでざる。スリット光５は気泡１
に当たって乱反０’ｌ　＝Ｊるが、での散乱光は光が入
ｑ・ｌした方向から９０・〜１’１５磨の範囲で最もＪ
、＜検出される１、５↑（１を有している。尚、気泡４
の径が充分微細かっ一様であるとすれば散乱光の強度は
ｉｌｉ位休槓体の気泡個数即ち気泡数密度に比例すると
肖えられ、ぞれは散乱光の強度が濃度に対応りることを
意味刀る。

てこで、゛まず、圧力水供給源から水槽１に向（−１で
流体を圧送づる際に、オリフィス９【こｉｌＪ　Ｉ“Ｊ
る局所的減圧作用に伴なうＩＱ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ざ１Ｌる。１イしＣ１この微
細かつ均質４Ｔ気泡を密に含んだ流体で水槽１内に所望
の流れ場を再現りる。てこへ、スリット・光５を照０・
１づると、スリブ１−光５が気泡４にＪ：つて乱反則し
１）（乱するのＣ１水流中にお（づる気泡４の存在が第
４図に示１゛Ｊ：うに火の粉の如く明瞭に表われ流れを
可視化づる。このとき、散乱光の強度は１１１位体積中
の気泡ＩＩ！ｉｔ数即気泡密１身数に比例づると考えら
４１、で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、気泡の流体中における粗Ｖ＋７状ｆぷ即
′ａ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Ｊように、水
槽仝而の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。イして、ブラウン管上の
（ｆ意の点にお（ノる１ｉｉ１１度の変化即ら散乱光の
変化がブラウン管上のフΔｌ−Ｌ−ンザ２２にＪ、って
測定され電気的信号例えば電圧の変化どして検出さねる
。この測定電圧は、フィルタ２３を通してモニタテレビ
２１の画面のスキャン信号が除去された後、１〜ランジ
Ｔン１へ１ノ］−ダ２／１か１うＡシロスコープ２５又
はＸＹレコーダ２６へ出力され、測定点にお（）る散乱
光の変化［１１１）５濃度変化が測定４丁いし記録され
る。ここで、流体の１ｌｉ１１度は、散乱光の強度が単
位体相中の気泡個故即ｌ）気泡密度数に比例りるど化λ
られ目つイの中位体積中の気泡個数が混合状態にある一
流体に占める気泡を含む流体の割合い即ら濃度が低下り
るにつれて低減Ｊることから、気泡を含む流体が他の流
体ど混わる前の流体噴出口にお（）る散乱光の明るさを
↓マ準にして陣出づることができる。つ２１：す、任意
の点における′ａ度はその点におりる測定電圧を基準電
圧で除づ゛ることにより求められる。１測定位置の変更
は、モニタ７−レビ２１のブラウン管上のフォトレンサ
２２を移動ざ１」ることに、１、っても行ない１ｑるが
、ブラウン管の中央が周辺、１゜りも安定かつ明るい輝
度を得ることができるので、フオｌ−ｔレザ２２の位１
６を固定（）た：１、）１１丁Ｖカメラ２０を［・ラバ
ース（図示省略）にて微動させることにＪ、り撮影個所
を変更りる方が好ま１ノい。尚、ブラウン管上における
散乱光の胛皮測定に際しては、測定領域中もっともＩｌ
ｔ’ｉい部分でも微小出力例−１１− えば３ｍＶ１’ｉ！Ｕを承りように、またもっとし明る
い部分が１ｌｌｌ＋定レンジの最大値近くになるにうに
モニタの調整を行なう必要がある。

まｌ、二、散乱光の測定は、水槽１内に流れ場を再現で
るのと同ＩＬｌｌ進行さＶる必要はない。水槽１内に再
現された流れ場をＴＶカメラ２０で撮影して図示１ノ４
」−いビフ゛Ａ装謂に録画１ノでおぎ、これをモニタテ
レビ２１に映し出づことにより何１ｍも測定ができる。

しかも、狭く複雑な流れ舅であってセン＋Ｊ゛を設問す
ることが従来不可能な処でも、撮影゛する際にズームア
ラプリ゛ることににリファＩｔ−ｔンリ２２の相対的小
形化を図れば測定が可能どなる。

ここて、フＡ１〜レンｉｊ−２２は、光学的信号を電気
的信号に変換する乙ので、本実施例の場合フォトダイア
１−ドが使用されているがこれに限られない。

モニタテレビ２１のブラウン管の輝度変化からフォトレ
ン→ノ２２を通して１ｑられた各測定点における濃度か
らは、−１ンビユータを利用しである燃焼モデルに対応
さけることにより燃料と空気の混合割合を弾出すれば、
燃焼部Ｉ身やＣＯ出、０２　ｍ＝　１２＝ 等の分布状態をヨ次元し１ル化できる。

以Ｊ−の説明Ｊ、り明らかなにうに、本発明の濃度測定
方法は、微細かつ均質な気泡を密に含む水流で再現され
た流れ揚（こスリン１〜光を当てて気１ｑで乱反則させ
ることにより任意断面におりる流れを可視化でる一方、
その散乱光をＴＶカメラで１最彰してモニタテレビのブ
ラウン管に映し出すと」（に任意のＩｊ、口こＪ３ける
散乱光の強さをブラウン管」−のフォトヒンサで電気的
信号に変換して測定（］、単イＯ体積中にお【′Ｊる気
泡数即ら濃度と散乱光の強度との間の相似関係に基づい
て１１１度を求めるので、非接触状態下に瞬間的濃度を
測定で・きる。つまり、本測定方法によれば、流れを変
えることなく精確に濃度測定ができる。しかも、本測定
方法は、気泡を含む流体で流れ場を形成し、これにスリ
ブ１−光を当て、て任意断面における流れの可視化を図
っているので、濃度測定と同時に定性的測定ら可能であ
る（）、散乱光の強弱にＪ、つて流れ全域に１１３１Ｊ
る濃度変化が一目で観察できる。また、本測定方法は、
流れ場をＴＶカメラで撮影し、ｔニタ７１ノビにＩｌ’
Ｊ！　シ出してからフォトセンザで測定覆るようにして
いるので、流れ場の任意の場所を任意の大ぎさに拡大し
て測定できると共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どもいつでも測定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る水流モデルにおける濃度測定方法
を実施する装置のうノ５可視化装置部分の概略図、第２
図は同じ＜ｉ度測定装置部分の概略図、第３図はオリフ
ィス径と気泡粒径割合との関係を求めた実験結架を示づ
グラフ、第４図は可視化されｌζ流れ場を示す説明図で
ある。 １・・・水槽、　３・・・スリット・光源、　４・・・
気泡、５・・・スリン１−・光、　８・・・管路、　９
・・・オリフィス、２０・・・Ｔ　Ｖカメラ、　２１・
・・モニタテレビ、２２・・・フオトレンサ。 特訂出願人　日本フフ・−ネス■業株式会礼１５− 第３図 くｔ；で′Ｉ艷生甲し乍すノイ又ｆｔ　（ｍｍφ）第４
図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. モデル水槽ど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四し
   てオリフィス通過１１の局所的圧力低下に伴う脱気現象
   ににつて微細かつ均質を丁気泡を水流中に大量に出現さ
   Ｖ、この微細かつ均穎な気泡を密に含む水流で水槽内に
   流れ場を再現１ノ、この流れ場にスリット光を当てて気
   泡での乱反射にＪ、す＋ｆ息断面におりる流れを可視化
   Ｊる一方、散乱光をＴＶカメラで撮影しこれをモニタテ
   １ノどのブラウン管に映し出すと共に任意の点にお（Ｊ
   る散乱光の強さを前記ブラウン管上の）Ａ！〜レン°す
   ″（゛測定して電気的信号に変換し、これを前記水槽の
   水流噴出口＋１近の散乱光から得られた基準電気信号と
   比較演算し測定点における濃度を求めることをｆｉ徴と
   する水流モデルにお１プる製電測定り法。