4.1緒 言
曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 特 性 は,案 内 羽 根 の 有 無 や そ の そ う入 位 置 だ け で な くデ ィ フ ユ ー ザ の 入 口速 度 分 布 の 形 状 の 変 化 に よ っ て も影 響 され る こ とが 予 測 さ れ る.
しか しな が ら,入 口 速 度 分 布 が せ ん 断 流 れ に お け る デ ィ フ ユ ー ザ に 関 す る研 究 は,Livesey,Wolfら の 二 次 元 デ ィ フ ユ ー ザ の 場 合 の せ ん 断 流 入 の 実 験 お よ び 入
(38)〜(49)
口 速 度 分 布 の 変 化 が 性 能 に 及 ぼ す 実 験 的 研 究 の 報 告 が 見 られ る 程 度 で あ る.
そ こで,本 章 に お い て は,遠 心 型 タ ー ボ機 械 の 羽 根 車 を 出 た 流 れ の 速 度 分 布 は, せ ん 断 流 れ に 近 い 形 状 を 示 す こ とか ら,曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ に流 入 す る デ ィ フ ユ ー ザ 入 口速 度 分 布 の 形 状 が ,凸 壁 面側 に速 いせ ん 断流 れ お よ び 凹壁 面 側 に速 いせ ん 断 流 れ を も っ た 流 れ を 人 工 的 に 製 作 し,そ れ ぞ れ2種 類 の 二 次 元 非 軸 対 称 せ ん 断 流 れ と した と き の 合 計4種 類 の 速 度 分 布 に 対 して 実 験 的 研 究 を 行 い,デ ィ フ ユ
ー ザ 内 に 案 内 羽 根 の そ う入 の 有 無,そ う入 した 場 合 の 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 お よ び デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 部 の 速 度 勾 配 の 変 化 が デ ィ フ ユ ー ザ 性 能 に 及 ぼ す 影 響 を 明 ら か に す る こ と を 目 的 と した 研 究 を 行 って い る.
ま た,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口速 度 分 布 が 一 様 な 場 合 の 結 果 との 比 較 検 討 を 行 って い る.
4.2主 な 記 号
前 章 ま で に 用 い た 記 号 の ほ か,以 下 の 記 号 を 用 い る.
λ:速 度 勾 配
.Bn:デ ィ フ ユ ー ザ の 幅
b:デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 ま た は 出 口 部 の 凸 壁 面 か らの 任 意 の 距 離 In:デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 を 基 準 と して,デ ィ フ ユ ー ザ 中 心 線 に 沿 っ て 測 っ
た 距 離
一71一
ux:主 流 方 向 の 乱 れ 速 度 uy:主 流 に 直 角 方 向 の 乱 れ 速 度 LLn:乱 れ 速 度uxとuyの 合 速 度
σ*:案 内 羽 根 な し の と き の 乱 れ 強 さ Un*=un/丁n:乱 れ 強 さ
Un:測 定 点 で の 流 速 Un:平 均 流 速 添 字
1,2:デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 部 よ り 上 流150mmの 直 管 部1‑1断 面 お よ び 出 口 部2‑2断 面
4.3実 験 装 置 お よ び 方 法
実 験 装 置 は 図4.1に 示 し,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ は 前 章 ま で と 同 様 に 吹 出 し形 風 洞 の 出 口 に 取 り付 け ら れ て い る.
本 実 験 に お い て 用 い た 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 形 状 は,図4.2に 示 す よ う に,ら 線 角 が β=20° の 対 数 ら線 形 状 と し,No.20400タ イ プ,す な わ ち,デ ィ フ ユ ー ザ の 中 心 線 に 沿 う長 さ が ゐ 。=400mmの デ ィ フ ユ ー ザ を 用 い る.
二 次 元 非 軸 対 称 せ ん 断 流 れ を 得 る た め の 速 度 勾 配 発 生 用 グ リ ッ ド⑮ は,Owenの
(41) に 基 づ い て,直 径 の 異 な る ス テ ン レ ス 丸 棒(φ1.0〜 φ2.Omm),ま た 設 計 法
11Exper血enta110 curveddiffuser
150
万
Ooo9 14)Hot‑wire
g){7}{6 Staticpressuretap
a皿emo皿eter
Pitottube (totalpressure}
Experimentalgrid
田 冷
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〃 1
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uretap 【l
晶
.塵1l
図4.1実 験 装 置 の 概 略 図
一一72
は,ピ ア ノ線(φ1.0〜 φ2.Omm)を 任 意 の 間 隔 に配 列 した も の で,速 度 勾 配 λ を 変 え た2種 類 の もの を 製 作 した.
ま た,速 度 勾 配 発 生 用 グ リ ッ ドの 格 子 間 隔 の 広 い 方 を 凹 壁 面 側 に 設 置 す る と凹 壁 面 側 に速 い せ ん 断 流 れ,凸 壁 面 側 に設 置 す る と凸 壁 面 側 に速 い せ ん 断 流 れ が 得 られ,そ れ ぞ れ2種 類 ず っ,計4種 類 の 速 度 勾 配 を もっ もの に つ い て,速 度 分 布 お よ び 乱 れ 強 さ を 熱 線 流 速 計 を 用 い て 測 定 して い る.
デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 平 均 流 速Uiは,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 部 の 中 心 線 上 か ら上 流 の 直 管 部150mmの 位 置 ⑩ に3孔 コ ブ ラ形 ピ トー 管 を,熱 線 流 速 計 を ⑭ の 位 置 に そ う入 して 測 定 し,ピ トー 管 か ら得 られ る全 圧 と入 口 直 管 部 の 壁 面 の 周 り に 設 け た24個 の 静 圧 測 定 孔(φ0.5mm)⑨ か ら得 られ る 平 均 静 圧(入 口 基 準 静 圧)万1よ り仮 の 平 均 流 速 を 算 出 して い る.
ま た,ピ トー 管 を 用 い て,あ ら か じめ 決 あ て あ る入 口 直 管 部 内 の23個 の 任 意 の 測 定 点 に お け る全 圧,静 圧 か ら流 速 を 算 出 し,そ れ らの 値 を 用 い て,シ ンプ ソ
Diffuser
No.20400
Notation
ヱ}0 400.00
B2 160.40
B1 79.58
H 300.00
ro 178.19
「.75 156.46 r .50 135.00 r .375 1a4.4z 卸.3125 119.94
「.25 113.94
「.ヱ875 108.76
「,ヱ25 103.62
「客 93.50
図4.2測 定 用 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ
一73一
ン の 数 値 積 分(図4.3)に よ り流 量 を 計 算 し,こ れ よ り平 均 流 速 丁 旦を 算 出 し, す べ て の 実 験 に 対 して 万1=10m/sの 一 定 に 保 っ て い る.し た が って,レ イ ノ ル ズ 数 は 約Re=9.4×104で あ る.
な お,速 度 の 調 節 は 無 段 変 速 機 ⑬ で 送 風 機 の 回 転 数 を 変 え る こ と に よ り 行 い, 回 転 数 は 光 電 管 式 回 転 計 ⑫ に よ り測 定 して い る.
デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 速 度 分 布 は 図4.4に 示 す.
デ ィ フ ユ ー ザ 内 に そ う入 す る 案 内 羽 根 の そ う入 位 置(図4.2に 実 線 で 示 す)は, 凸 壁 面 か らの 任 意 の 距 離 わを 入 口 直 管 部 の 幅B、 で 割 って 無 次 元 化 した 値b/B,で 示 し,案 内 羽 根 な しの 場 合 をb/B1=0と し,b/sO.125,0.1875,0.25,
0.3125,0.375,0.50,0.75の 合 計8種 類 と して い る.案 内 羽 根 の 形 状 は デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 と 同 じ,ら 線 角 β;20Qの 対 数 ら線 の 形 状 と して い る.
表4.1に は デ ィ フ ユ ー ザ 各 部 の 寸 法 を 示 す.
案 内 羽 根 の 前 縁 は 前 章 ま で と 同 様,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 部 か ら 中 心 線 に 沿 っ て 下 流 方 向 に40mmの 位 置 と し,案 内 羽 根 の 後 縁 は,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 ま で の もの
と して い る.
一 一74一
表4。2実 験 の 組 み 合 わ せ
Theshearflowwhichisslopedtowords;
theconvexwall theconcavewall
λ(ユ/s) 154 127 154 一127
(ul/vヱ)x100(0> 9.56 7̲25 14.97 8の67
Positionof
guidevaneb/B1 00●1250●18フ50●250.31250.3750.50●75
測 定 用 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 両 壁 面 の 静 圧 分 布 を 求 め る た め の 静 圧 測 定 孔(φ0.5mm)は,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 高 さの 中 央 部 に 設 け,そ の 数 は 入 口 直 管 部 を 含 め て 凹 壁 面 側 に56個,凸 壁 面 側 に46個 設 け て あ る.
実 験 は 表4.2に 示 す よ う に,案 内 羽 根 の そ う入 位 置 お よ び デ ィ フ ユ ー ザ 入 口部 に お け る 速 度 勾 配 な ど を 変 え た 組 み 合 わ せ に つ い て 行 って い る.な お,速 度 勾 配 に よ って 乱 れ 強 さ もそ れ ぞ れ 変 わ るの で そ の 値 も記 して あ る.
4.4実 験 整 理 式
4.4.1熱 線 流 速 計 に よ る 流 速 お よ び 乱 れ 強 さ
デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 の 流 速 は 熱 線 流 速 計 を 用 い て 測 定 し,そ の ブ ロ ッ ク 図 を 図4.5に 示 す.
一 般 に 熱 線 流 速 計 よ り 得 ら れ る 信 号 は,流 速 に 対 して 非 直 線 性 で あ る の で 指 数 可 変 型 リ ニ ア ラ イ ザ に よ り 直 線 化 を 行 う 必 要 が あ る.こ の 機 能 を 数 式 的 に 示 す と, 熱 線 流 速 計 か ら の 信 号 は,
e2=(a十b・u"m)・(Tw‐Tf)(4 .1)
と な る.
た だ し,eは 熱 線 流 速 計 の 出 力 電 圧,Uは 流 速,T「wは 熱 線 温 度,Tfは 流 体 温 度,α,bは 物 理 定 数,mは 演 算 指 数 で あ る.
こ こ で,e2/(Z'w‑Tf)翠E1と お け ば,(4.1)式 は,
EL∬2v=(五71一 α)m・G=α ・U(4 .2)
と な る.
た だ し,E。 剛 は リ ニ ア ラ イ ザ 出 力(V),G,α は 定 数 で あ る.
一75一
す な わ ち,(4.2)式 の 演 算 を 行 う こ と に よ り,
リニ ア ラ イ ザ の 出 力 は 流 速 に 比 例 した 値 が 得 られ
る.よ っ て 流 速Uは (4.3)式 に 書 き 換 え る こ と が で き る.
v=EL,N/a(4 ,3) リニ ア ラ イ ザ よ り得 ら れ た 信 号 は,加 減 演 算 ユ ニ ッ トに よ り主 流 方 向 と 主 流 と 直 角 方 向 の 情 報 に 演 算 さ れ,A/D変 換 器 に よ りパ ソ コ ン に 取 込 み, こ こで,実 際 の 流 速 に 換 算 さ れ,シ ン プ ソ ン の 数
夏星0し一Wire
Principalflow‑ →
→ ,X
一 ■ 噛
AB Constanヒ
TemperaLurc Anemometor
Constant Temperature 1¥riemomcL‑er
Lincarizer Linearizcr
n B
Sum&Difrcrence Unit
Sum&Difference
添
Unitn‑uIDCV・ltm・terI DCvoltmeter
1脳SV・ エtm・L・rl RMSVoltmcCcr
図4.5ブ ロ ッ ク 図
値 積 分 を 用 い る こ と に よ っ て デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 平 均 流 速 丁1を 算 出 す る.
ま た,本 研 究 に お い て は,上 流 用X型 プ ロ ー ブ を 使 用 し,熱 線 流 速 計 で 流 速 を 求 め る と と も にs主 流 方 向 の 乱 れ 速 度uxと 主 流 と 直 角 方 向 の 乱 れ 速 度uyを 求
め,こ れ ら を 用 い て(4.4)式 に よ り 乱 れ 強 さun/Tnを 定 義 す る.
u'n/丁n=へ/(ux2+uy2)/Tn≡Un*(4 .4)
た だ し,Tnは¥/均 流 速(m/s),unは 主 流 方 向 と 主 流 の 直 角 方 向 の 乱 れ 速 度 の 合 速 度(m/s)で あ り,添 字nは,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 を π=1,
デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 部 をn=2,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 の 案 内 羽 根 な し をn=10 と す る.
4.4.2速 度 勾 配
Owenの 設 計 法 に 基 づ くせ ん 断 格 子 に よ り 製 作 し た 人 工 的 な 速 度 分 布 に 対 して,
一76‑一
速度を縦軸 に,壁 面 か ら測定点までの距離を横軸 に示 した場合,そ の速度分布の 境界層の領域部分 を除いた速 度の勾配を直線で近似 し,測 定 間距離 に対す る速度 の変化の比を速度勾配 λと してい る.
4.5実 験 結 果 お よ び 考 察
4、5.1速 度 分 布 お よ び 速 度 勾 配
図4.6は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 と 出 口部 に お け る速 度 分 布 を 熱 線 流 速 計 に よ り測 定 した 結 果 を 示 して い る.
縦 軸 は,デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 直 管 部 お よ び 出 口部 に お け る 各 測 定 点 で の 流 速Un を,測 定 部 で の 平 均 流 速Unで 割 って 無 次 元 化 した 値Un/Unを 示 し,横 軸 に は, 案 内羽 根 の そ う入 位 置 を 無 次 元 化 した 値b/nを 示 して い る.
こ こで,添 字nは,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 を72=1,出 口 部 をn=2と して 示 して い る.ま た,入 口 直 管 部 の 速 度 勾 配 λお よ び乱 れ 強 さul'/丁1=vf*の 百 分 率 も同 時 に示 して い る.
デ ィ フ ユー ザ 入 口 直 管 部 の 速 度 分 布 は,速 度 勾 配 λを 用 い て 表 す と,一 様 流 れ の 場 合 は λ ニ0,凸 壁 面 側 に 速 い せ ん 断 流 れ に お い て,速 度 勾 配 の 大 き い もの は λel54,小 さ い も の は λ=127と な り,凹 壁 面 側 に 速 い せ ん 断 流 れ の 場 合 は, 符 号 を 負 とす る と,λ=‑154,λ=‑127と な る.
デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 部 で は,デ ィ フ ユ ー ザ の 曲 が りの 影 響 が 現 れ て,凸 壁 面 側 の は く離 に よ り,流 速 が 減 少 し,凹 壁 面 側 の 流 速 が 増 す こ とが わ か る.し た が って, 一 様 流 れ に お い て は
,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 部 で 一 様 で あ っ た もの が 出 口 部 に お い て は,流 路 中央 部 か ら凹 壁 面 側 に 偏 っ た 分 布 を も ち,凸 壁 面 側 で 逆 流 領 域 が 見 られ る.ま た,凸 壁 面 側 に 速 い せ ん 断 流 れ は,出 口部 中 央 で 比 較 的 平 坦 な 流 れ と な っ て い る.凹 壁 面 側 に 速 い 流 れ の もの は,入 口部 の 勾 配 よ り も さ ら に 凹 壁 面 側 に 偏
っ た 流 れ とな り勾 配 も直 線 化 して い る.
以 上 の こ と か ら,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口直 管 部 に お け る速 度 分 布 の 変 化 が デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に大 き な 影 響 を 与 え るで あ ろ う こ と が 予 測 で き る.
一 一77一