JPS61140836A - キャビテーションの核の濃度を測定する装置 - 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】 発明の背景 流体力学では「キャビテーション発生（ｃａｂｉ　ｔａ
ｔｉｎｇ　）　Ｊ流と称する液体の流れが観察される。

これは部分的圧力降下によってその流れの中に蒸気泡が
発生し得、この気泡が後の圧力上昇だ起因する内破（ｉ
ｍｐｌ　ｏｓ　ｉｏｎ　）により突然消滅するか又は固
体壁面に付着し得、後者の場合には気泡の体積が増大し
てその結果空洞を形成するからである。キャビテーショ
ン、即ち前述の如き気泡の発生は重要な現象である。例
えば、船舶のプロペラの最大推進力をしばしば制限する
のはこのキャビテーションに他ならない。

ギヤビテーション発生流の性質はこの種の流れを構成す
る液体の核（ｕｎｃｌｅｉ　）　濃度に大きく作用され
る。

これらの核は前記液体の構造の弱点である。これら核は
既知又は未知の性質を有し得るが、実際には常にその臨
界圧で測定され得る。この臨界圧とは蒸気圧より小さく
、しばしば負の値を有し、核を包囲する液体が蒸気泡を
発生させるために必要とする圧力である。

例えば、実験室でプロペラをテストする場合など幾つか
の実際的状況下では、使用する液体の種々の臨界圧の核
の濃度を測定し得る必要がある。このキャビテーション
核濃度は通常、臨界圧の低下に従い累加される濃度を示
すヒストグラムの形状で表わされる。

本発明は、このような測定を可能にする。

液体中の核濃度は現時点では２種類の方法を用いて測定
されている。これらの方法のうち「キャビテーション非
形成（ｎｏｎ−ｃａｖｉｔａｔｉｎｇ）　Ｊ式と称する
ものは核の性質が既知である場合に使用される。この場
合の核は通常微小気泡（ｍｉｃｒｏ−ｂｕｂｂｌｅｓ　
）である。この方法ではこれら気泡のサイズを表わす大
きさを測定し、互換公式によってこの測定値から臨界圧
を演緯する。

この種の方法としては、ホログラフィ、クールター（Ｃ
ｏｕｌ−ｔｅｒ　）の電気的方法及び光拡散法が挙げら
れる。

いわゆる［キャビテーション形成式（ｃａｖｉｔａｔｉ
ｎｇ）　Ｊ測定法では液体を高速度でベンチュリ（例え
ばベンチュリ管）に通す。従来のベンチュリはスロート
につながる先細部分とそれに続く末広部分とを含み、流
通断面は全体を通して円形であり、スロート部分が最小
直径を有する。

従ってベンチュリ管のスロートには可調整最小圧力Ｐｉ
ゾーンが形成される。この圧力は液体の蒸気圧よシ小さ
いこともある。この管に核を通ｊと、核はその臨界圧Ｐ
ｓが圧力ｐｔよ）大きいか又は小さいかによって励起さ
れたシ又は励起されなかったシする。圧力Ｐｔはベンチ
ュリを通過する水の流量を変えることによって変化させ
ることができ、その結果、異なる臨界圧を有する種々の
核を励起させることができる。従って、励起した核の検
出及び計数と圧力ｐｔ及び水流量の測定とを行えば、測
定すべき核集団を表わすヒストロダラムの形成が可能に
なる。このようなキャビテーション形成式測定法は特に
下記の文献に開示されている。

オー、　エヌ−７−ｋ　’／７ポジウム（０，Ｎ、　Ｒ
，Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ）アンアーパー大学（ミシガｙ　
）　（Ａｎｎ　Ａｒｂｏｒ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｍ
ｉｃｈｉｇａｎ）　）、１９８１年、ワイール：ｒフル
（Ｙ、Ｌｅｃｏｆｆｒｅ）及びジエー・ピー・ルゴフ（
Ｊ　、Ｐ、　Ｉｚｇｏｆｆ　）の発表論文（核とキャビ
テーショｙ　（Ｎｕｃｌｅｉ　ａｎｄ　ｃａｖｉｔａｔ
ｉｏｎ）。

ニー・アイ・アー／ｌ／　・：１１−　ツチ会報（Ａ、
　１．　Ｒ，Ｈ，Ｂｕｌｌｅｔｉｎ）。

アムステルダ、Ａ　１９８２年、／Ｉ／：＋　フル（Ｌ
ｅｃｏｆｆｒｅ）、　−ｒルコス（Ｍａｒｃｏｚ）　、
パリブーズ（Ｖａｌ　１ｂｏｕｚｅ　）著［テスト装置
によるキャビテーション核制御の実際的アスペクトじＡ
ｓ　−ｐｅｃｔｓ　ｐｒａｔｌｑｕｅ　ｄｕ　ｃｏｎｔ
ｒ♂ｌｅ　ｄｅ　ｇｅｒｍｅｓ　ｄｅ　ｃａｖｉ　ｔａ
ｔ　ｉｏｎ　ｅｎｍｏｙｅｎｓ　ｄ’　ｅｓｓａｉｓ”
）。

本発明の装置では、キャビテーション形成式測定法を使
用する。

この種の方法を用いる既存の装置は現在のととろ次の３
つの欠点を有する。

１）ベンチュリのスロートで発生する気泡と導入液体流
との間に大きな相互作用が存在する。そのため水の流量
が一定していればスロート部分の圧力が時間と共に変化
し、測定の正確さが低下する。これは特に、活性核濃度
が高い場合又は圧力ｐｔが極めて低い場合に著しい。

２）測定し得る濃度が１ｄ当シ数個の核までに限定され
る。この値は用途によっては不十分である。

３）ベンチュリ管は形成が難しく且つ信頼性に太きな問
題が伴い得る。よシ詳細には、信頼できる測定値を得る
ためにはベンチュリ管の表面の状態が極めて良好でなけ
ればならず、そのためには高性能で高価な機械加工法、
例えば成る種の機械的及び電解的研摩法を使用する必要
がある。

本発明の目的は、核濃度が高くても低コストで正確且つ
信頼できる測定値が得られるような液体中　　　　゛の
キャビテーション核濃度の測定装置を提供するととにあ
る。

発明の概要 本発明は液体中のキャビテーション核濃度を測定するた
めの装置を提供する。この装置は、−前記液体用の減圧
導管であって流動方向６の長さと軸線４とを有し、上流
部分Ｂの液体流通断面積がほぼ最小の流通断面積を有す
る所定長のゾーンＣに到るまで減少し続け、且つ下流部
分り、Ｅの液体流通断面積が前記最小断面積に続いて漸
増するような減圧導管２、 −　問題のキャビテーション核即ち、液体中での濃度を
測定すべき核をして、個々に検出され得る程十分に大き
い個々の体積を有する水蒸気の気泡を発生せしめるよう
な十分に小さい圧力を最小圧力ｐｔとした場合に、前記
液体が前記最小断面ゾーンＣ内で部分的に前記最小圧力
に達するような流量で前記導管内を流れるようにする循
環手段８、−　このようにして発生する気泡を検出する
手段−　このようにして検出される気泡を計数して所定
時間当シの気泡数を測定する手段１２、並びに−　測定
すべき濃度を前記気泡数と前記導管を流れる液体の流量
とに基づいて算出し得るように、前記流量を測定する手
段１４．１６ を備え、前記減圧導管２内に偏向用心部材１８が具備さ
れ、この部材は液体流通断面が該部材の長さに亘って該
部材と導管２との間の環状通路２０により構成され、そ
の結果球状気泡が液体流通断面の小部分しか占拠し得な
いように、導管２の軸線４に沿い且つ下流部分り、Ｅの
少なくとも一部分に亘って配置される。前記導管の各横
断面図で見ると、前記環状通路は導管２の軸線から出発
する諸方向に延在する径方向の幅りと、これらの幅の中
間点を結ぶ線の長さである平均周縁長２πＲとを有する
。

勿論、形成される気泡は必ずしも正確な球形ではないが
、球形に近い形状を有する。

尚、前記諸符号は図面の非限定的具体例における番号で
ある。

前述の如き構造にすれば、ベンチュリ管を流れる流体の
公知タイプの有利な特徴、即ち圧力が先ず降下し次いで
上昇するという特徴を有する収束−発散流が得られる。

但し、本発明の構造は圧力上昇が境界層の剥離（どの現
象が生起すると装置の動作は完全に混乱する）を−切供
わずに生起するという重要な利点も有する。この利点は
装置を従来の機械加工技術で製造しても変わらない。勿
論、精巧な加工技術を使用すべきではあるが、特別な配
慮を講じる必要はない。

また、前記環状通路の幅は、キャビテーション気泡と導
入される液体流との間の相互作用が極めて小さくなるよ
うに調整し得る。との通路の幅が前述の如く限定されて
いるため複数の気泡がこの環状スペース内で同時に拡大
され得、その結果計数速度が高められる。

本発明では更に、少なくとも場合によっては、下記の如
きよし特定的な構造を使用すると有利であることも判明
した。

−偏向用心部材１８の横断面と該部材を包囲する導管２
の横断面とがほぼ円形であって互に同心的であり、心部
材の断面の半径が、前記下流部分内の球形気泡の有し得
る最大直径を制限すべく、該部材の長さの少なくとも一
部分に亘って周シの導管の内側半径の７０％以上に等し
い値を有する。

−下流方向への流通断面積の前記漸増が少々くとも部分
的に、そして好ましくは大部分又は全面的に環状通路２
０の周縁長の増加によって得られ、従って前記径方向幅
は一定であるように、偏向用心部材１８とその周漫の導
管２とが下流方向に向けて大きくなる直径を有する２つ
の同軸且つほぼ円錐状の面の形状を前記下流部分り、Ｅ
の少なくと、も一部分りに亘って有する。

−前記円錐状導管面の一頂角に該当する導管２の傾斜が
前記下流部分り、Ｅの少なくとも上流側りではＯｏから
４５°であり、前記円錐状心部材面の去頂角に該当する
偏向用心部材１８の傾斜が前記導管に関して選択した傾
斜に応じて決定される。

−前記偏向心部材１８及びその周シの導管２の傾斜が、
前記液体の流れの妨害を回避すべく前記円錐状面に続く
部分で徐々に変化する。

−前記水蒸気泡検出手段が前記環状通路２０内での気泡
内破を検出する音響手段１０であり、との手段が最小断
面積ゾーンＣから距離をおいて下流に配置される。

以下添付図面に基づき非限定的具体例を挙げて本発明を
よシ詳細に説明する。尚、これら図面を通して同一事物
は同一符号で示した。

図面に示した測定装置は前述の如き本発明の構造を有す
る。この装置では前記減圧導管２は軸線４を中心として
円形に対称をなし、前記液体が水である場合にこの水の
流動方向即ち矢印６の方向に従って順次次の如き符号で
示される種々の部分を有する。これらの部分とは、 −液体流通断面が円形であってほぼ一定しておシ、且つ
゛スペーサ２２が僅かな部分を占める入口部分Ａ１ −　断面積が減少していく前記上流部分Ｂ、−核の一部
が水蒸気泡な発生させる、はぼ一定の最小断面積を有す
るゾーンＣ１ −流通断面積が漸増し圧力が上昇する前記下流部分Ｄ１ −　流通断面積が更に拡大され、気泡は存在せず、装置
の下流で水が流れ易いようにする出口部分Ｅである。前
記ゾーンＣで水蒸気泡を発生させる核は水の加速によっ
て該ゾーン内に生じる減圧ｐｔ以上の臨界圧Ｐｓを有す
るものである。前記最小圧力ｐｔをかなシ上回る臨界圧
を有する核は上流部分Ｂで水熱気泡を発生させる。これ
らの気泡はゾーンＣ内で体積が急増する。壕だ、気泡の
一部は下流部分りの上流側で体積が増え続は得るが、上
昇圧力の作用によって総ての気泡はとの部分りを離れる
前に突然内破するととになる。各気泡内破は衝撃波を発
生させ、この衝撃波は水と管の壁面とを介して伝搬され
る。

偏向用心部材１８は所定の断面を持つ３つの径方向スペ
ーサから彦るグループ２組により減圧導管２の軸線４に
沿って保持される。一方のグループのスペーサ２２は導
管の入口部分Ａ内に配置され、他方のグループのスペー
サ２４は出口部分Ｅ内に配置される。この支持法は心部
材１８の振動を回避せしめる。図面から明らかなように
、心部材の存在はこの心部材が無い場合の導管２によシ
構成されるベンチュリ管のスロート２６の下流に最小流
通断面積が得られるようにする。この流通断面積は環状
通路２０の周縁長２πＲに径方向幅りを掛けた値に等し
い。この間隙２０の平均半径、Ｒ及び幅りは第３図に示
されている。

前述の如き心部材を存在させることの有益な効果は、下
記の事実に由来するものと考えられる。

−心部材が液体の流線を最小圧力ゾーンより手前で外側
へ偏向させ、それによってこれら流線の剥離を回避させ
ようとする。

−液体流線が下流部分の壁面と平行であるため気泡がこ
れら壁面に付着しない。

−環状通路２０の幅が狭いため、最大気泡の成長速度が
制限される。その結果筒１に、異なる核によって生じる
２つの気泡が結合して単一気泡を形成する確率が減少す
る。第２に、最大気泡の内破によシ下流で生じる衝撃波
のエネルギが制限され、そのためよシ小さい気泡の内破
の検出が容易になる。

このエネルギ制限は更に、最大気泡の内破によって生じ
る衝撃波が上流に伝搬され、その結果核なしで気泡が最
小断面積ゾーン内に発生するのを回避せしめる。

第４図では矢印２８及び３０が測定すべき水の入口及び
出口を表わし、前記循環手段が簡略に示したポンプ８で
構成され、前記検出手段が音響検出器１０からなシ、前
記液体流量測定手段がディスプレイ１６を備えた流量測
定装置１４からなシ、これら総ての手段が減圧導管２の
下流に配置される。

導管２は金属、例えば研摩した黄銅で形成される。但し
該導管は、前記検出手段が光学的性質のものであって気
泡によシ拡散される光を検出する場合には、ポリメチル
メタクリレートの如き剛性透明材料で製造し得る。

別の場合、例えば溶融金属の核濃度を測定する場合など
には、他の公知材料を使用し得る。

気泡は電気的方法等によっても検出し得る。

この具体例では下記の数値を採用し得る。

−水の流量　：　１１／秒 −入口部分Ａの直径　：２Ｑａ＋ｍ −上流先細部分Ｂの長さ：１５ｉｍ −導管２の見かけスロート２６の直径　：　１０龍−２
つの円錐の一頂角　＝　　２０゜ 一　前記円錐相互間の間隙の平均幅　　：ｌａｍ−最小
断面積ゾーンＣの長さ　　　　＝　１５藷−下流部分り
の長さ　　：　　２５朋 とれら種々の数値を用いると、入口部分Ａの圧力が５パ
ールに等しい場合に約−５パールという負の値の最小圧
力ｐｔが得られる。流量を増加すればこれに対応して前
記最小圧力は自然低下する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の装置の減圧導管をその軸線を含む平面
で切断した断面図、第２図は前記導管をその軸線と直交
する第１図の平面■−■で切断した横断面図、第３図は
前記導管をその軸線と直交する第１図の平面■−■で切
断したー拡大断面図、第４図は前記導管を有する本発明
の装置の全体説明図である。 ２・・・減圧導管、　　Ａ・・・入口部分、Ｂ・・・上
流部分、　　Ｃ・・・最小断面積ゾーン、Ｄ、Ｅ・・・
下流部分、　　１０・・・気泡検出手段、１２・・・気
泡計数手段、１４．１６・・・流量測定手段、１８・・
・偏向用心部材、　　８・・・ポンプ、２２．２４・・
・スペーサ。

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）液体中のキャビテーション核濃度を測定するため
   の装置であつて、 液体流動方向の長さと軸線とを有し、上流 部分の液体流通断面積がほぼ最小の流通断面積を有する
   所定長のゾーンに致るまで減少し続け、且つ下流部分の
   液体流通断面積が前記最小断面積に続いて漸増する前記
   液体用減圧導管と、 問題のキャビテーション核即ち液体中での 濃度を測定すべき核をして、個々に検出され得る程十分
   に大きい個々の体積を有する水蒸気泡を発生せしめるよ
   うな十分に小さい圧力を最小圧力とした場合に、前記液
   体が前記最小断面積ゾーン内で部分的に前記最小圧力に
   達するような十分な流量で前記導管内を流れるようにす
   る循環手段と、 このようにして発生する気泡の検出手段と、このように
   して検出される気泡を計数して所定時間当りの気泡数を
   測定する手段と、 測定すべき濃度を前記気泡数と前気導管を流れる液体の
   流量とに基づいて算出し得るように、前記流量を測定す
   る手段、 とを備え、前記減圧導管内に偏向用心部材が具備され、
   この部材は球状気泡が液体流通断面のほんの小部分しか
   占拠し得ないように、液体流通断面をこの部材の長さに
   亘つて該部材と前記導管との間の環状通路により構成せ
   しめるべく前記導管の軸線に沿つて下流部分の長さの少
   なくとも一部分に亘り配置され、前記現状通路は導管の
   各横断面で見ると、導管の軸線から出発する諸方向に延
   在する径方向幅と、これら幅の中間点を結ぶ線の長さで
   ある平均周縁長とを有することを特徴とする装置。
2. （２）前記偏向用心部材の断面と該心部材を包囲する前
   記導管の断面とがほぼ円形であつて互に同心的であり、
   前記下流部分で球状気泡が有し得る最大直径を制限すべ
   く、心部材の断面の半径が該部材の長さの少なくとも一
   部分に亘つて前記導管の内側半径の少なくとも７０％に
   等しい値を有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
3. （３）下流方向への流通断面の前記漸増が少なくとも部
   分的には前記環状通路の周縁長の増加によつて得られる
   ように、前記偏向用心部材とこれを包囲する前記導管と
   が、下流方向へ漸増する直径を持つ２つのほぼ円錐状の
   同軸的面の形状を前記下流部分の長さの少なくとも一部
   分に亘つて有することを特徴とする特許請求の範囲第１
   項に記載の装置。
4. （４）前記流通断面の増加が少なくとも大部分は前記周
   縁長の増加によつて得られることを特徴とする特許請求
   の範囲第３項に記載の装置。
5. （５）前記導管の円錐面の１／２頂角からなる導管の傾
   斜が前記下流部分の少なくとも上流部では０から４５°
   であることを特徴とする特許請求の範囲第４項に記載の
   装置。
6. （６）前記偏向用心部材とこれを包囲する前記導管とが
   、前記液体の流れを妨害しないように前記円錐面から徐
   々に変化する傾斜を有することを特徴とする特許請求の
   範囲第４項に記載の装置。
7. （７）前記水蒸気泡検出手段が前記環状通路内での気泡
   の内破を検出する音響手段であり、この手段が前記最小
   断面積ゾーンから距離をおいて下流に配置されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項に記載の装置。