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水中の気ほうの様相

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(1)

水中の気ほうの様相

著者

石神 重男, 玉利 ?一

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

5

ページ

17-29

別言語のタイトル

MOVEMENTS OF AIR-BUBBLES IN THE WATER

URL

http://hdl.handle.net/10232/10783

(2)

水中の気ほうの様相

著者

石神 重男, 玉利 ?一

雑誌名

鹿児島大学工学部研究報告

5

ページ

17-29

別言語のタイトル

MOVEMENTS OF AIR-BUBBLES IN THE WATER

URL

http://hdl.handle.net/10232/00007584

(3)

。戸的

石 神 重 男 ・ 玉 利 賢

(受理昭和40年5月31日) MOVEMENTSOFAIR−BUBRv,雨SINTHEWArm庇 ShigeolSHIGAMI,MasakazuTAMARI Theshapes,thedeviationsandthelocalvelocitiesofair-bubbleswhenalrwasblownintothe waterminutelyexaminedinthecaseswherenowallswerearoundthemandwherelvertical wall,2and4verticalwallswerenearthemrespectivelyinordertoobsGrvetheirmovementsin eachcasedistinctively. Theresultswhichwerethusobtainedwillgivebecomethebasicdataforstudiesonthepheno‐ menonofheattransferbetweentwophaseflowandthewallsurface.

第 1 図 実 験 装 世 1 . ま え が き 液中に気ほうの混在する状態時の熱伝達は沸雌その 他諸種の化学装置の中の現象として,しばしば見られ ることである.筆者の一人')2)3)はさきに水の沸騰のさ いの熱伝達研究の基礎として,垂直平板伝熱面前方の 水中に空気を吹き込んだ場合について,伝熱面負荷と ともに空気吹き込みの位置,ならびに吹込空気量を変

化し,熱伝達係数におよぼすこれらの影響について実

験的に研究し,その結果を報告した.

本報告は上記の影響を生ずる原因としての水中にお

ける気ほうのかく乱の様相に着目して,その様相の詳

細を実験的に検討したものである.本実験では熱負荷

は与えず,また空気吹き込み孔は一つとした. ’1

水 中 の 気 ほ う の 様 相

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② 一

1.8 第 2 図 空 気 吹 込 管 の 先 端 附 ・ 近 の 図 2.実験装置および方法 実験装置全体を第1図に示す.これは前報')の実験 に使用した内槽と同じものである.図中の①が試験棚, ②が伝熱壁面(本実験では熱負荷は与えなかったので 単なる壁面と考えてよい),③が空気吹き込み管であ る.水の深さは静止時310mmで,水面から262mm 下方の壁面中央を原点にとり(この点が伝熱而として 使用するときの伝熱面下点中央にあたる),原点を通 り壁面に垂直な線をx軸,壁面にそって鉛直な線をy 軸,壁面にそって水平な線をz軸とする.空気吹き込 み管を第2図にしめす.内径8mmのガラス符の先を 絞り,ここに図のごとく外径1.32mmの注』、i針をとり つけ,その尖端は封じ,尖端から1.8mmの側而に直 径0.9mmの孔をあけ,これを空気吹き込み孔とした. −ラ 本実験中空気吹き込み孔の水中の深さはすべて262 mmとし,x軸上のみで位置を変えた.壁面から孔の 中心までの垂直距離をどとし,どの値はCO,50,40, 30,20,10,5,2.5mmに変えて実験した.ただしど =。。とは壁面をとりさり空気吹き込み孔を試験槽の中 央 に お い た 場 合 を し め す . 壁 面 は 吹 き 込 み 孔 に 対 し 一

(4)

18 E M I 児 出 火 学 r 工 学 部 研 究 報 告 第 5 号 面のほか二面および四面の場合も実験した.その配置 のしかたを第3図にしめす. 譲診” - . l I I i 二 1 m 四 I 、 第 3 図 壁 面 の 配 置 図 空気吹き込み量は0.21Ncm3/sから20.75Ncm3/s の範凹に変えて実験した.吹き出し孔を出る気ほうの 大きさおよび気ほう発生頻度は第4図の装置により吹 き出し孔より上方4.5mmのところを気ほうの上昇方 向に垂直なスリットを通る光束で切り,その影絵を回 転ドラム上のフイルムにうつして調べた.気ほうの上 昇速度は気ほう上昇の全過程を苑方向,z方向からそ れぞれ一つの視野で8ミリシネにうつし,その写真か ら時間と移動距離を求めて算出した.上昇気ほうはy 軸からある程度それて,x,z方向に動揺しながら上昇 するが,この浮動領域の限界は気ほう上昇の全体をx 方向,z方向から平行光線で照らし,気ほうの影を紙 上に投影し,これを目視しておよそ2分間の包絡線と して求めた.

,

②:光源(スポットライト)(§):u帳ドラム ③ : ス リ ッ ト ⑦ : 回 転 ド ラ ム 川 モ ー ク ④:凸レンズ 第 4 図 気 ほ う 発 生 様 相 の 撮 影 装 置 3.実験結果とその検討 (1)吹き出し孔を離れるときの気ほうの形状 観察した代表的な形を第5図に示す.図中の(a)群 は吹き出し孔を離れる直前の形で,(b)群は離れて直 後の形である.すなわち離れる前は空気流量が少ない ときは,球形または長楕円体に近い形であるが,流堂 が多くなると頂部が平か,又はやや中凹みの紡錘休状 1 2 3 4 1 『 2 ’ 3 ' . 4 ‘

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(、 (6) 第 5 図 吹 き 出 し 孔 離 脱 時 の 気 ほ う の 形 状 になる.流量の多いとき頂部が上記のごとくなるのは 気ほうが急速に上向きに成長しようとするのに対する 水抵抗のためと見られる.吹き出し孔を離れたあとは 偏平な楕円回転体か,大部分は頂部が上に凸になった 三角形の角を丸めた形の回転体,あるいは茸状笠形や 不定形の気ほうとなる.かように頂部が突出し,底面 が偏平に近くなるのは気ほうが切れるとき,気ほう下 面の総圧力が急に高まり中央部を押し上げるためと考 えられる. (2)吹き出すときの気ほう径と頻度 第4図の方法によって写した写真の一部を第6図に 示す.図は壁面を除いて(さ=。。)空気吹き込み量を変 えて撮った結果である.図によってスリットを通る光 束部を通過するときの気ほうの水平断面の直径と気ほ うの発生頻度を知ることが出来る.このような写真多 数をうつし,その直径と頻度とをとった資料が第7図, 第8図である.前者は壁面のない場合,後者は一壁面 でど=5mmの場合である.図のごとく気ほう直径は 必ずしもある一つの中心値を有する分布傾向とは限ら ない.場合によっては,二つの群あるいは三つの群の 分布をすることが見られる.しかし現象を簡単に表示 するためには,これがそれぞれの吹き出し条件のもと である一つの代表直径で表現されれば,その取扱いは 非常に便利であろう.一般にこのようなばらつきのあ る粒群を整理するのに代表直径のとりかたとして,i) 中央値(Media、)による,ii)分布面積平均をとり代 表直径とする,iii)空気流量と気ほう発生頻度とから 気ほうを同一直径の完全球体としてその直径を算出 し,代表直径とする方法などが考えられる.壁面のな い場合について吹き込み空気量QNcm3/sと発生頻度 f個/sとの実測値が第9図,Qに対するi)∼iii)に よって求めた気ほう直径が第10図である.第4図の装 置による写典から測定した直径値は光束の切断する面 が固定しているため,空気流量の多いところでは,気

(5)

石 神 ・ 玉 利 : 水 L │ 』 の 気 ほ う の 様 相 《まうの最大直径を完全にはとらえていない.すなわち, 気ほうがこの切断面より上方で大きくふくらむことも ありうるからである.よってQと/から算出した直 径が最も合理的な代表値として採用することができ

る.第9図において,/はQの踊加とともに増大す

ることがわかる.特にQ=sNcm3/s以上では/は .Qとともにほぼ血線的に蛸大している,いまこの部分 を直線とみなすと /らcQ Qcc/、‘3 ....=一定 となることがわかる. 図中にSiemes4)5)の測定結果を参考に迅入したが, これではsNcm3/sec以上で/がほぼ一定となってい る . し た が っ て , ノー一定 ...Qcc小 または,mjc3'Q となり,‘はQとともに次第漣鋼大することとなる. しかし実際に気ほうの発生を観察していても,Qが蛸 肌すると,/が増大し,αはさほど大きくならないこ とが明らかである.よってSiemesの結果は本実験に おける観測位置に関しては成立しない.ただし気ほう が吹き出し孔より相当上昇すると,いくつかが互に合 体して大きな気ほうとなることがある.よってこのよ うな点で観測すればSiemesの結果により近ずくであ ろう.(Siemesは電極板法とストロボスコープで観測 している) 蹄111に関連する空気吹き込み位置fを変えた場合の 気ほうの直従(代表値)を第11図に,どの変化に対す る頻度の変化を第12図に示す.どの大きい範囲では

吹き込み空気量が一定ならば壁lIiiの配置を変えてもα

も/もほとんど一定であって,Eが小さくなると〃は

減少し,/は増大する.図はQ=0.96Ncm3/sで比較 的吹き込み空気量の少くない場合であるが,この程度 では,ど≦5mmで上記の‘11,/の変化が起っている. これは吹き附し孔が壁1mに近ずくと噸Iiiの「渉が気ほ うの分裂を助長するほうに作用することを乳してい る. (3)上昇途中の気ほう Q N c m 3 / s : 0 . 2 1 0 . 9 6 1 . 8 7 9 . 4 4 2 0 . 7 5 第6図吹き出し孔近傍の気ほうの写真(と=。。) ' 燭 19 蛾 巡

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(6)

Q=1.87Ncnrs 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 5 号 (l…6.07mm# X思う処州放96脳 詞 食、 Q=0.21Ncm始

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ベほう処即乳13m ロ;:うtIL.”1号’・司一 訂−1 (1m(‘‘li副n=5.96mm#頻庇2.6個s) 〔Iユ『,、ユー5.96mm。 <1.,rI 4Ncmfls Q=0.96NrIifs 蜘呈う処即数3911

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127佃 ネに倣影した.これからある気ほうの動きを追跡した のが節14図から第16図である.Ⅸ│の枇軸はフイルム のコマ数,したがって時間,縦''1'1は気ほうの位置をと ってある.この図から時間と気ほう位置の関係がわか り,これらの微分として気ほうの各位置における速度 を 知 る こ と が で き る . a . ふ れ に つ い て 第17図は壁而のない場合の吹き出し孔からの高さ と,その点のふれの関係を示す.ふれはx方向,z方 向とも同じで,したがってふれ領域の水平断而はふれ 凪 の 半 分 を 半 係 と す る 円 形 に な る . ふ れ は は じ め 急 に 大きくなるが,さらに上昇するとその踊加は次第にゆ る や か に な り , 各 空 気 量 ご と に そ れ ぞ れ 一 定 の ふ れ に 2.03.04.0A、5.06.07.08.09.0 空気吹き出し孔を離れてのち,気ほうは不規則な連 動をするが,その間に変形,分裂あるいは合体しなが ら上昇する.この際,水、r方向にも,ある傾域の中を 浮動する.以下ある水-W11内の浮動の巾を‘‘ふれ”と 称する.以上のような気ほうの連動により液の対流は 促進され,もし熱伝達を│、│くう場合には液体中の温度境 界層,速度境界暦などにも変化を与え,熱伝達現象に 影響するわけである. 気ほう上昇の状況を写典に撮った一例が第13図で, 吹き込み空気量は一定とし,露出時間を1/8,1/125, 1/1000秒に変えてとったものである.この写真からも 気ほうのふれ域,上ケ11.辿度,形状などを知ることがで きるが,さらに正確に上昇状況を知るため,8ミリシ 副いI 〔I…=4.39mm’| dm僧。i息、=4.51mm#(ル庇85.4IlA1s) 一Xぼう徒d(mmd) 第 7 図 気 ほ う の 分 布 状 態 図 ( 壁 面 な し の 場 合 )

(7)

Ncn;/b・ 数160仙 21 dar“=6.45mm#

'01知:弧

虜=5mm 5 , 6 . Q=0.21Ncm1/も・ 4.気ほう処理数lllM 2-E:気ほう1個を示す ﹁4 ー テO dmcdinn

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10. ↑dmUdiロ;m= 6.45mm#(城度19.41Mだ) 15 無 ③=寸 石 神 。 玉 利 : 水 中 の 気 ほ う の 様 相 80, 70。 1 6 1 8 . 0 2 . 4 , 6 8 1 0 1 2 1 4 、 2 0

戸 戸

6.↑‘dmcdion=4.88mml#(狐度49.8伽/も)

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△ 〃 〃 、 ノ ノ 1 . 2 4 〃 ( キ リ 孔 ) 」 ロ 一→Q(Ncm3/白) 第 9 図 気 ほ う の 頻 度 と 吹 込 空 気 丘 と の 関 係 60 U2 三 一 劃 蕊

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I 2 0 4 0 0 . 1 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1 2 4 6 8 ' 1 0 −>Q(Ncm3た) 第 1 0 図 気 ほ う 径 と 吹 込 空 気 通 と の 関 係 o−Iill A二1m 回 凹 血 Q=1.87Ncmjも 1 −嘗巨︶屋隔一頃I Q=1.87Ncm3/s

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鹿 児 島 大 学 工 f 学 部 研 究 報 告 . 第 5 号 A 二 面 回凹1m 、

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1︽、U り︼旬乙 2 0 3 0 4 0 1 5 0 . 10 一亭(、'、) 気 ほ う 径 と 吹 込 位 置 と の 関 係 鰯 1 1 図

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221. −.重︶︸謎蕊I 、’−1m 、 − ゐ ‐ − F 、 旨 I 2 0 . 、 3 0 4 0 5 0 1 第 1 2 図 一虜(、、) 気 ほ う の 頻 度 と 吹 込 位 置 と の 関 係 1 0

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(9)

石 神 ・ 玉 利 : 水 中 の 気 ほ う の 様 相 23 婆 1 鴛 騨

い I ロ ヌ 鱗鍵襲溌謬;鐸 鶴 :4 ロ慨 QNcm3/s 露 出 時 間 s 綾 り f 9.44 1/8 2.8 第 1 3 図 9.44 1/125 1.2 気 ほ う の 上 昇 9.44 1/1000 1.2 時 の 様 相 近 づ い て 行 く 傾 向 を 示 す , 空 気 且 が 微 赴 の 場 合 か ら 1.87Ncm3/s付近までは空気堕とともにふれは恩に増 大するが,それ以上の空気1,1:になるとふれはさほど増 大しない.これは上昇速度が111.くなることを意味する ものである.第18図は空気皿の述いによるふれの変化 図でQ=5Ncm8/s以上ではふれ巾は各高さで僅かに 増加するのみである. 第191叉│は一而の壁があるとき,Q=9.44Ncm8/s一 定でどの変化によるx方向,z方向のふれを/パした. 占三20mmでは壁の影響は1,&られないが,どく20mmに なるとx,z方向でふれが進ってくる.x方向につい てはど=10mm付近に岐小点がおこり,fがさらに小 になるとまた蛸大する.これはど=100mm付近のとき 壁によってx方向のふれが適当に整流されて減少する 最適状態となるためで,これよりさらに接近すると, 壁により反接されて,かえってx方向に大きくふれる ことを示す. 第20図は二而の場合で,ここでもと=20mm付近 まではx方向,z方向ともふれは同じで,どく20mm で砿iiIiの影響が現われてくる.この際x方向ふれは最 低点がおこる付近では,すでに両壁面によりふれは限 定され,z方向のふれのみ増大してゆく. b・気ほうの上昇速度 第2'図は壁のない場合の気ほうの上昇時間と位置 の関係,第22図は位置と上昇速度の関係を示す.17= 0mmにおいては速度が0でないのは孔を出るときす でにある速度を持っていることを示している.上昇速 度は高さとともに面線的に増大する.Q<1.87Ncm3/s イ、l・近までは速度線の傾きは急で,すなわち上下の速度 差があまりないが,この範囲ではQの州加は前攻に述 べるように,ふれの贈加として現れてくる.Q>1.87 Ncm3/sになるとふれの増加は少くなり,そのかわり 上ケ''、速度の増加が許しいことがわかる. 第23図はQ=0.96Ncm3/s一定とし,一面,二而, 四lmの雌を配置したとき吹込位置Eと,速度Uの関係 を高さをパラメータとして示したものである.一而お

(10)

第14-b図気ほうの移動距離と コ マ 数 と の 関 係 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 究 報 告 第 5 号 160。 24 第15-a図 汀 ︵U’Jf,︶,1 91113151719f21 - コ マ 歎 気Iまうの移動距離と コ マ 数 と の 関 係

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(11)

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1357911131517192123 石 神 ・ 玉 利 : 水 中 の 気 ほ う の 様 相 16 60’ 幅 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 . 1 9 . 2 1 − コ マ 数 節15−c図気ほうの移動距離と コ マ 数 と の 関 係 6 ノ

40 140 ③ 弧 ほ う X気躍う A I j 。気ほうA X気ほうB 20。 2ひ l ︵EE︶潔認霞鋒S小型頃G心.長全kへ9111 1 EE︶時・湊︾雪費︸︵、や郡一眼Rぷふ 00. 00 8 0 60 40 96Ncm$ん 96NC、:1,も 80. E=5111Ⅲ ○ m m , マん 23.7コマA 6卜 ‐O 、 40. 20 ヶ敵 第16−a図気ほうの移動距離と コマ数との関・係 、96Ncm3/5 一 コ マ 改 第15-b図気ほうの移動距剛Eと コ マ 数 と の 関 係 ;IOE 160. ど=5mmI貢 I60 140 120 100 8p (60 J涌 励 0 140. O 姉 J う A X 虻 ほ う B ・虹はう八 気ほうB ︵EE︶骨謹製言塗︵、小型漠︵、墨・領会kへ 120. E︶昏挫篭君津︹、や魂一製︵b墾・領全k、 100. 二 而 Q=0.96Ncm猫 州0 6OL 一 一 コ マ 蚊 卵16-b図気ほうの移動距離と コ マ 数 と の 関 係 0mm

23,7コ-Wも 23.7コマ/目 I 牌 2 0 0聖 1 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 . 1 7 1 9 3 . 5 7 9 31517

(12)

弐 一 戸 1 3 26 │I 鹿 児 島 大 弓 学 工 学 部 研 究 報 告 第 5 号 一Q(NC、。/s) 第 1 8 図 死 方 向 の ふ れ と 吹 込 空 気 量 と の 関 係

60.加伽肌印宇柵釦n

o 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 −知ふうの雌火ふiL(m、) 第 1 7 図 気 ほ う の 移 動 距 離 と 最 大 ふ れ と の 関 係 15 2m 。 抑 ユ う A x 式 ほ う B ︵日日︶震謎騒言鱒e鼎一涙e⑲長員K、→I 0 5 1 層冒︼窟毒蓋与一恵﹄侭 、96N1m】F心 ,ⅢⅡ 5mm 弓〃,,笛 段し) 島 21NCm 96JI 87JJ イ4Fノ 75Jノ 菰 列 10 20 ’ 3 5 7 9 1 1 1 3 1 5 1 7 1 9 - コ マ 数 第16-c図気ほうの移動距離と コ マ 数 と の 関 係 ⑧ ワ ニ 5 肘 、 x l O O " 。150ノノ ム 200J‘’ ‘10 1m 50。 RE︶ JC。 剛 10 lOj

(13)

80 77=100mm 〃=100mm. 100 80 60 40 20 100 万=100mm ] 00 〃=200mm, 刀=200mm 剛 80。 凶 60 60 40 40 剛 20 一存(m、) 第20-a図z方向のふれとどの関係 60 102030,40、50 U 102030.4050 ,001 UlO20、304050 40 1 00

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1 0 17=150mm 〃=150mm 80 80 0, "=150mm 一>厚(m、) 第19-a図z方向のふれとどの関係

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1 0 20 1 匡一[戸︶ 01020304050 −−盲(,i,、) 第19−b図尤方向のふれとぐの関係 040 10203050 1 ︹二一︶ご一年匂 80. 0 60. 0 Ⅲ 0 一畦面 40 1二J 0 20 卯: 010203040 言 U ,1020.304050 30 U10204050 100一畦面 80〃=50mmQ=9.44Ncm3ノも 0102 0.50 二峨而 4050 0.30

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(14)

〔 0 1 0 . ‘ 2 0 3 0 4 0 5 0 一身(m、), , : 『 〃 第 2 0 - b 図 死 方 向 の ふ れ と ど の 関 係 I q 第 5 号 ;.28 Q=0.96NCm3上 。"=0(mm X 5 0 ノ L − 蛾 而 △ 1 m 〃 鹿 児 島 大 学 工 学 部 研 ‘ 究 報 告 100. 剛1 、 .‐U(cm伺 第 2 2 図 気 ほ う の 上 昇 H 寺 の 位 置 と 速 度 と の 関 係 〃=200mm Ⅷ 60 4 0 ノ 。 F 一 も〆 〆 〆 2 0 . 〆 。 。声Gr、 0 1 0 2 0 3 0 ’ 4 0 ! 5 0 ,001 5 0 5 1 1 ︵EE︶・識諾言津Sや耐員Gf雪R、→I I j "=150mm 1810 60 4 0 . 。 一 電 ノ ー一 2()-〆。〆〆 。。多

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一壬 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 − う ち ( m 、 ) 第 2 3 図 気 ほ う の 上 昇 速 度 と さ と の 関 係 し)

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石 神 ・ 玉 利 : 水 中 の 気 ほ う の 様 相 29 よび二面の壁を配置したときと=20mm付近に著るし く上昇速度の高い状態が生ずる.この点はちょうどx 方向のふれと,z方向のふれとが異なりはじめる点に 相当するが,この現象は気ほうの上昇によって,試験 水榊内全体の対流が現実に最適の状態となることを示 すものであろう.その証拠に四面の壁を配置したとき は対流が水柑の局部に制限されるため,このような傾 向はあらわれない.どの減少とともに壁による抵抗の ため上昇速度は単に除々に減少するのみである.一面, 二面の場合,どく20mmではx方向のふれは減少 するが,z方向のふれは増加するためと=20mm付近 より速度は下ってくる. 4 . む す び 水中に空気ほうを吹き込んだ場合の気ほうの形状, 気ほうの上昇時のふれ,上昇の速度などについて壁の ない場合の他,特に一面,二面,四面の壁のある場合 について実験的にその詳細な現象を明らかにした.こ れによって,気ほうの混在する水と壁との間の熱伝達 を研究する上の有力な手がかりを得ることができた. 5 . あ と が き 本研究をおこなうにあたり,終始熱心に努力された

学生西郷久生,米倉真一の両君ならびに研究室の上加

世、司郎君,さらに種々御支援をうけた田中義弘,松 村博久氏に謝意を表します. 参 考 文 献 1)玉利:日本機械学会第714回誰演会(熱。熱力学 部門委員会企画),前刷集(昭38.11.28),137. 2)玉利・西川:九大工学集報,37−1(昭39.3), 52. 3)玉利:鹿大工学部研究報告,4(昭39.11.20), 7 . 4)VonDr.W・Siemes,Chemie-lng.-Techn.'26, Jahrg,1954/Nr,8/9,Teil:1,479. 5)VonDr.W・S1emes,Chemie-1ng.-Tech、.,26, Jahrg,1954/Nr、11,Teil:11,614.

参照

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