(2)旋 回 速 度 線 図
図1.24(a),(b)は,デ ィ フ ユ ー ザ 出 ロ で の 旋 回 速 度 係 数Ut/U1の ベ ク トル 線 図,す な わ ち,旋 回 速 度 線 図 を 示 した も の で あ る.
壁 面 粗 さ係 数K/B1=1.904×10‑3の もの に つ い て,案 内 羽 根 をb/B1=
0.25と0.50の 位 置 に2枚 そ う入 した もの を 図(a)に,羽 根 な しを 図(b)に 示 して あ る.
案 内 羽 根 が そ う 入 さ れ て い な い 図(b)で は,凸 壁 面 か ら出 口 幅 の ほ ぼ 中 央 付 近 ま で は く離 や うず の た あ に 不 規 則 な 流 れ が 見 られ る が,図 ㈲ で は,案 内 羽 根 の そ う入 位 置b/、Bl=0.25と 凸 壁 面 と の 間 に は ほ とん ど旋 回 速 度 成 分 は 見 ら れ な い.
ま た,図(a),(b)と も凹 壁 面 に 向 か う速 度 成 分 が 現 れ て い る が, 図(a)で は,案 内 羽 根 の 腹,背 面 の 圧 力 差 の た め に 案 内羽 根 出 ロ 付 近 で 腹 面 か ら背 面 に 向 か う大 き い 速 度 成 分 が 現 れ,図(b)の 場 合 は 中 央 部 よ り 凹壁 面 側 で 大 き い 速 度 成 分 が 現 れ て い る.
な お,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 付 近 に お い て は 凹,凸 両 壁 面 の 圧 力 差 が 小 さ く,ま た,凸 壁 面 の は く離 に よ っ て 二 次 流 れ は 現 れ て い な い.
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1壬:±±三:塵
図1.25(a),(b), (c)お よ び(d)も,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 で の 旋 回 速 度 線 図 を 示 した も の で あ る.
壁 面 粗 さ 係 数 お よ び 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 は 図1.23の 等 速 度 線 図 の 場 合 と 同 様 で あ る.
凸 壁 面 出 口 に お い て は,流 れ の は く離 は ほ と ん ど 見 られ ず,壁 面 圧 力 分 布 か ら も わ か る よ う に,圧 力 は 出 口 に 向 か って 低 下 して い る た め に 凹 壁 面 に 向 か う 速 度 成 分 が 現 れ て い る.
な お,旋 回 速 度 は 凹,凸 壁 面 の 圧 力 差 の 少 な い 出 口 断 面 に お い て 測 定 した た め に,二 次 流 れ は ほ とん ど 見 ら れ な い.
Roughnessofwall K/β1x103・0
Positionofguide
vaneb/B1 0,125 Q.1875 0.3125 0,375
η(竃) 58.7 61.3 57.4 56.9
図1.25旋 回 速 度 線 図
一32一
1.5.3ヂ イ フ ユ ー ザ 効 率
図1.26は,縦 軸 に デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 η(%),横 軸 に 壁 面 粗 さ 係 数K/B韮 を と り,案 内羽 根 そ う入 位 置 お よ び そ う入 枚 数 を 副 変 数 と した も の で あ る.
案 内 羽 根 そ う入 位 置 がb/jB1=0.25に あ り,壁 面 粗 さ 係 数K/B,=0の と きの 効 率 が 最 も よ く η=60%を 示 し,壁 面 粗 さ の 増 大 に と も な っ て 効 率 が 低 下 し て い る.
ま た,案 内 羽 根 そ う入 位 置 お よ び 枚 数 が デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 効 果 は,凸 壁 面 に近 いb/Bt=0.25の 位 置 に そ う入 した もの お よ び0.25と 組 合 わ せ た も の が 最 も良 く,っ つ い てb/B,=0.50,0.75,案 内 羽 根 の な い も の の 順 に な って お
り,1枚 と2枚 とで は 大 き な 差 は見 られ な い.
っ ま り,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 は そ う入 枚 数 よ り も そ う 入 位 置 に よ って 大 き く影 響 さ れ る こ とが わ か る.
図1.27は,縦 軸 に デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 η,横 軸 に デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 に お い て 凸 壁 面 か ら案 内 羽 根 の そ う入 位 置 ま で の 距 離 わを,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 幅B,で 割 っ て 無 次 元 化 した 値b/、B1を と り,壁 面 粗 さ 係 数K/Blを 副 変 数 と し,案 内 羽 根 そ う 入 枚 数 は す べ て1枚 の もの で あ る.
な お,横 軸 に 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 をb/B,で 示 し,案 内 羽 根 の な い と きの
図1.26デ ィ フ ユ ー ザ 効 率
‑A一f
K/Blx1Q3 00 Q2.904 口3,838
111
一
1て 「 i
△や
一
i
d
L
レ .1875.3125
11堕1
.125.25,375 .so
1 .75
図1.27
.4.5.6.7.8.91.O
b/BI
デ イ フ ユ ー ザ 効 率
一33一
効 率 をb/B,=0とb/B1=1.0の 位 置 に示 して あ る.
この 図 か らわ か る よ う に,案 内羽 根 そ う入 位 置 が デ ィ フ ユー ザ 中 央 部 よ り凹 壁 面 側 に あ る もの の 効 率 が と く に 悪 く,ま た,凸 壁 面 に近 づ け す ぎ て も効 率 が 低 下 し,こ の 傾 向 は壁 面 粗 さ の 粗 い もの ほ ど 著 しい.つ ま り,本 実 験 に 用 い た 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ に お い て は,b/IB1=0.2付 近 が 最 も有 効 な 案 内 羽 根 そ う入 位 置 で あ る と い う こ とが で き る.ま た,壁 面 粗 さ に よ る 案 内 羽 根 そ う入 の 効 果 は,壁 面 が 粗 い も の ほ ど 効 率 の 上 昇 率 が 大 き い こ と が わ か る.
1.5.4タ フ ト法 に よ る 可 視 化
流 れ の 中 に タ フ ト(適 当 な 長 さの 細 い 糸 な ど)を そ う入 し,そ の 挙 動,主 と し て 流 れ の 方 向 を 観 察 す る方 法 で,タ フ トは 軽 く観 察 に 差 しつ か え な い 範 囲 で 小 さ
い 寸 法 が 良 い.タ フ トの 一 端 を 固 定 す る場 合,そ の 植 付 け や 貼 付 け は タ フ トの 方 向,向 き が 予 想 され る局 所 で の 流 れ の 方 向,向 き と一 致 す る よ う に行 い,ま た, 隣 り合 う タ フ トが 絡 ま な い よ う 適 当 な 間 隔 に 配 置 す る.
タ フ ト法 の 特 徴 は,気 流 に も液 流 に も適 用 で き る こ と,普 通 の 風 洞 や 水 槽 で 特 別 の 設 備 な し に手 軽 に 実 施 で き る こ と,煙 あ る い は 色 素 注 入 法 お よ び 油 膜 法 な ど で は 気 体 を 汚 染 した り,床 を 汚 した りす るが,タ フ ト法 で は そ の 心 配 が な い こ と, 低 速 か ら超 音 速 ま で の 広 い 速 度 範 囲 に 適 用 で き る こ と,そ の ほ か,タ フ トは 反 応
時 間 が 短 く,し か も,力 や 圧 力,熱 伝 達 との 同 時 測 定 を 行 って もそ の 影 響 が ほ と ん ど な い と い う 利 点 が あ る.一 方 欠 点 と して は,物 体 表 面 な ど 限 られ た 部 分 で 速 度 の 方 向 が 分 か る だ け で あ る か ら,複 雑 な 流 れ で は 流 れ の 場 全 体 の 模 様 を 知 る に は情 報 不 足 で あ る こ と と,物 体 表 面 の 流 れ を 観 察 す る 場 合 タ フ トが 表 面 付 近 の 流 れ に 強 い 影 響 を 与 え る 場 合 が あ る こ と な ど で あ る.
流 れ を な る べ く乱 さ な い た め に,最 近 の 方 法 で は,ナ イ ロ ンの 単 繊 維(直 径 0.05〜0.18mm)を 利 用 して い る 例 も あ る.タ フ トを 見 易 くす る た め に,蛍 光 染 料 に 漬 け た もの を 用 い,紫 外 線 光 線 を 用 い て 発 光 させ る と よ い.蛍 光 は 可 視 光 線 で あ る か ら,写 真 撮 影 は 可 能 で あ り,繊 維 は実 際 の 径 の30〜50倍 の 大 き さ に見 え る.高 温 の 流 体 に 対 して は,そ れ に 耐 え る材 質 の セ ラ ミ ッ ク 繊 維(Nextel)が 使 用 され て い る.
一34一
タ フ ト法 は,流 れ の 状 態 を 調 べ る そ れ ぞ れ の 目 的 に 応 じ て つ ぎ の よ う に 分 類 さ れ て い る.
(a)表 面 タ フ ト法,(b)デ プ ス タ フ ト法,(c)タ フ ト グ リ ッ ド法,(d)タ フ トス テ ィ ッ ク 法 が あ る.
そ こ で,本 研 究 に お い て,壁 面 の 圧 力 分 布 か ら は く離 開 始 位 置 は 明 ら か で は な い の で,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 流 れ を 観 察 す る た あ に 表 面 タ フ ト法 に よ る 可 視 化 を 行 い,そ の 一 例 を 図1.28(a),(b)に 示 して あ る.
図1.28(a),(b)は,デ ィ フ ユ ー ザ 凸 壁 面 の ほ ぼ 中 心 線 に 沿 っ て,で き る だ け 小 さ い ピ ッ チ で,し か も,前 の タ フ トの 影 響 を 少 な く す る た め に,5列 の タ フ トを 張 り つ け て 写 真 撮 影 を 行 っ た も の で,図(a)はK/B且=0,図(b)はK/B且
=3 .838×10‑3の も の で あ る.た だ し,図(b)は 両 壁 面 に サ ン ドペ ー パ を 張 っ て い る た め 斜 め 上 か ら 撮 影 し た も の で あ る.
な おZ/L=0.1,0.2,..., 0.9の 位 置 を 白 線 で 示 して
あ る.
図1.28(a)は 平 滑 面, (b)1まK/B,=3.838×
10‑3の も の で,図 か ら 明 ら か に 平 滑 面 で は1/L=0.3 付 近 で 振 れ 始 め,0.4を 過
ぎ て か ら 大 き く乱 れ て い る の に 対 し て,粗 面 で は1/L
=0 .2で す で に 振 れ 始 め,0.35付 近 か ら 大 き く 乱 れ て い る こ と が わ か る.
こ の こ と か ら,壁 面 粗 さ の 大 き い も の ほ ど は く離 開
1選 縫 、}
藁
蟻 蛮 馨
撫熱驚
lQ1°2° § α4・q5Q6q7°8°9t!
図1.28(a)タ フ トに よ る 可 視 化
零灘 蕪
参」一 、
図1.28(b)タ フ トに よ る 可 視 化
一35一
始位置が上流側 にあ ることがわか る.
1.6結 言
対 数 ら線 の 形 状 を も っ 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 特 性 を 明 らか に し,そ の 性 能 の 向 上 を 図 る 目 的 で 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う 入 し,そ の 位 置 や 枚 数 を 変 化 さ せ る と と
も に,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の 粗 さ を3種 類 変 え た 実 験 を行 っ た.
そ の 結 果 を 要 約 す る とつ ぎ の とお りで あ る.
(1)デ ィ フ ユ ー ザ 凹,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 に お い て,凹 壁 面 圧 力 の 最 高 値 を 示 す 位 置 は,案 内 羽 根 が な い と き は デ ィ フ ユ ー ザ の ほ ぼ 中 央 部 で あ る の に 対 して, 案 内 羽 根 を そ う入 した も の は,圧 力 が 緩 や か に 上 昇 し,下 流 側 に 移 る.
ま た,凸 壁 面 の 圧 力 最 低 値 を 示 す 位 置 は,断 面 一 様 な 曲 が り管 と異 な り,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 後 で あ る.
(2)デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の 圧 力 分 布,案 内 羽 根 面 の圧 力 分 布 お よ び 出 口 等 速 度 線 図 の 測 定 に よ り,デ ィ フ ユ ー ザ 凸 壁 面 の は く離 領 域 を 推 察 す る こ とが で き,案 内 羽 根 の そ う入 位 置 お よ び 壁 面 の 粗 さ に よ り は く離 領 域 が 大 き く影 響 され る.
(3)デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 旋 回速 度 線 図 に つ い て は,い ず れ の 場 合 も凸 壁 面 側 か ら 凹 壁 面 側 に 向 か う流 れ が 見 られ る が,二 次 流 れ は現 れ な い.
凸 壁 面 近 くの は く離 領 域 で は 旋 回 速 度 成 分 は 小 さ く方 向 が 不 規 則 で あ り,案 内 羽 根 が な い もの や 案 内 羽 根 を 凹 壁 面 近 くに そ う入 し た もの ほ ど こ の 領 域 が 広 い.
(4)案 内 羽 根 そ う入 枚 数 お よ び そ う入 位 置 が デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 影 響 は,案 内 羽 根 の そ う入 枚 数 よ り そ う入 位 置 の 方 が 大 き く現 れ,そ う 入 枚 数 の 増 加 に よ る 効 率 上 昇 の 効 果 は 顕 著 で は な い.
な お,本 実 験 で 使 用 した 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ に お い て は,凸 壁 面 側 か ら測 って デ ィ フ ユ ー ザ 幅 の 約20%の 位 置(b/.B,=0.1875〜0.25)に そ う入 した も の が 最 も高 い 効 率 を 示 す.
(5)壁 面 が 粗 い も の ほ ど 効 率 は 低 い が,案 内 羽 根 を そ う入 す る こ と に よ り効 率 の 上 昇 率 が 高 くな り,案 内 羽 根 そ う入 の 効 果 は 大 き い.
一 一36一