実験方法

測定装置

本実験においては作動流体に常温の水を用いる，試験部を通過する水の流量はポンプ 下流のタービン流量計で計測する．試験部上流の上部壁面にフラッシュマウント法によ り取り付けた歪みゲージ式圧力変換器により試験部上流圧力を計測する．また，タンク 上部にシリコン・ピエゾ抵抗式圧力変換器，タービン流量計の下流に熱電対を設置して いる．タンク上部圧力計，試験部上流圧力計，タービン流量計，熱電対の出力は，A/D 変換ボードによりデジタル信号に変換して計測用PCに取り込む．また，試験部上流圧 力計には動歪計測器を使用する．熱電対を用いて得たタンネル内の水温より，飽和蒸気 圧，密度および粘性係数を算出し，流速，各圧力変換器より得たタンク内絶対圧力，試 験部上流圧力からキャビテーション数およびレイノルズ数を求める．試験部上流圧力は 4000Hzで16384点，その他は1000Hzで4096点計測する．表4.4～4.8に各計測機器の 諸元を示す．

各実験の前には，脱気を行うことで溶存空気量を変化させる．溶存空気量は，実験前 後に溶存酸素量（DO）を計測し，溶存酸素量により評価する．溶存酸素計の諸元を表 4.9に示す．また，本実験では，第2章と同様の高速度カメラ（Vision Research, Phantom

V4.3，Phantom V310）を用い，キャビテーション初生過程の観察および気泡数密度分布

の計測を行う．

気泡観察と気泡数密度分布計測

キャビテーション初生過程の観察と同時に，喉部において気泡数密度分布の計測を行 う．本来，試験部上流で気泡核数密度分布を計測すべきであるが，高速度カメラの空間 分解能が低く，試験部上流の気泡核を計測することが困難であったため，図4.3に示す ように喉部で成長した気泡を撮影し計測を行う．加えて，異なるDO条件下でキャビテ ィ下流の拡大部直後（喉部下流 68.5mm）において気泡数密度分布の計測を行い，キャ ビティの前後で気泡数密度分布を比較することで，溶存空気の影響を調査する．各撮影 範囲を図4.3に示す．いずれの撮影もバックライト法にて撮影を行い，その他の撮影条 件は表 4.12 に示す通りである．撮影によって得られた画像に対して画像処理を行い，

気泡の径と数を計測した．

画像処理法を図4.4に示す．この処理は，MATLAB（Math Works社）を用いて行う．

まず撮影した画像全てに対し，喉部以外にマスクを適用する（①）．次に，ノイズを除 去するため，撮影した画像群から平均画像を作成して（②），撮影した各画像と平均画 像の差分をとる（③）．その後，Canny法[53]により気泡の輪郭を検出する．まず，全画 像に平滑化処理を行い輝度値の微分をとる．さらに輝度値の勾配の最大値を算出し，各 点での勾配を最大値で除した値が閾値以上となる位置を気泡の輪郭として検出する

（④）．輪郭の内側を塗りつぶし，気泡全体が撮影範囲の内側にある気泡のみを計測す

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るため，画像の境界に接している気泡を除去し（⑤），画像内の気泡数，および気泡の 面積から球形を仮定して気泡径を計測する．さらに，気泡半径を10µm毎に別けて各範 囲の気泡数をカウントし，撮影フレーム数および検査体積（3mm×10mm×20mm）およ び半径幅10µmで除して気泡数密度分布を得る．なお，閾値は，各点の勾配を全画像の 輝度値の勾配の最大値で正規化した0～1 の範囲で表される．本実験においては，閾値 を0.01刻みで設定し，処理結果と撮影動画を目視で比較し値を決定する．

キャビティ様相観察

本実験は，流速を一定に保ちタンク内圧力を段階的に下げ，流動する気泡核からどの ようにシートキャビテーションが初生するのかを確認するため，図4.3に示す位置にお いて高速度カメラによる観察を行う．

表4. 4 ひずみゲージ式圧力変換器

PGM-2KC （KYOWA CO., LTD）

容量 200 kPa

定格出力 898 mV/V 以上（1795×10^-6歪み）

非直線性 0.40 %RO

ヒステリシス 0.70 %RO

表4. 5 シリコン・ピエゾ抵抗式圧力変換器

UNIK5000 （GE Sensing & Inspection Technologies）

容量 200 kPa

最低出力電圧 0.002 V

最大出力電圧 10.001 V

出力幅 9.998 V

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表4. 6 タービン流量計

F100A 1x1 （日本フローコントロール株式会社）

流量範囲 25 - 250 L/min

圧力損失 75 kPa

耐圧力 24 MPa

分解能 10 bit

応答速度 1 sec

精度 1.5 % of F.S.

再現性 0.2 % of F.S.

表4. 7 A/D変換ボード PCI-3120 （Interface）

分解能 12 bit

入力チャンネル 8 ch

相対精度 ±1 LSB (MAX)

誤差 ±0.15 % (MAX)

変換時間 16 µs

表4. 8 動歪計測器 DPM-603A （KYOWA CO., LTD）

出力電圧 ±5V

非直線性 ±0.2%FS

周波数特性 DC～10kHz 偏差±10%

ローパスフィルタ 10,30,100,300,1000Hz カットオフ点-3dB±1dB 約-12dB/oct

表4. 9 溶存酸素計

DO-31P （東亜ディーケーケー）

溶存酸素（DO）測定範囲 0.00 – 20.00 mg/L 溶存酸素（DO）分解能 0.01 mg/L

水温 測定範囲 0 – 50 ℃

水温 分解能 0.1 ℃

再現性 0.03 mg/L

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図4.3 キャビティ様相および気泡核計測撮影範囲

UP 3.25h

h = 10mm 2h

3mm throat

8.4°

3mm

2h camera

Phantom V310 downstream 68.5mm

measurement of bubbles observation of cavitation

図4.4 気泡核計測画像処理法

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