大西輝尚＊浅野芳宏＊和田 　　　　　　　　　（昭和54年5月7日受理）

NDC 501．9， 534．1， 501．23

渦流形ダイオードの渦室内流れめ実験的研究

大西輝尚＊浅野芳宏＊和田

         （昭和54年5月7日受理）

力＊＊

Experimental Study of Flow in the Chamber of a Vortex Diode

Teruhisa OHNisHi， Yoshihiro AsANo， Tutomu WADA

（Received May 7， 1979）

 Analysis of flow in a vortex chamber has not been fully studied， because it has mainly two complex flow patterns；

one is curved wall jet， the other i＄ vortex breakdown．

 Us ing water as the operating fluid， the experiments were performed with vortex diode and curved wall．

 Measurements were performed about the distribution of static pressure by a Hg−manometer， and about those of tangential and radial velocities by a laser doppler velocimeter．

 The following facts are especially pointed out；

 1） Tangential velocity distribution sbows apparently an existence of a curved wall jet in outer area axkd a free    vortex in inner area of the vortex chamber．

 2） Fiow in the chamber from inlet to outlet is combined with a free vortex and a curved wall jet．

 3） Growth of the length scale for curved wall jet is directly proportional to distance from a nozzle．

        1．緒     言

 渦流形ダイオード素子は，パワーフルイディクスの分野 でその有用性が期待されている。例えば，J． Grant i）は，

プラントプロテクションへの応用を紹介している。しか し，渦室内流れについては，R． T． Bichara2）の解析などが あるが，入力口での噴流及び出力口での渦崩壊による複雑 な現象のために，それらが完全に明らかにされているとは 言えない。

 そこで，渦室外周の接線方向に入力口を持つ渦流形ダイ オードの渦室内流れを実験的に調べる。接線方向の速度成 分，半径方向の速度成分及び静圧を測定する。一一 方，入力 ロノズルからの曲壁面噴流については，噴流独自の速度分 布を測定し渦室内流れの挙動を明らかにする。

      2．実 験 方 法

Fig．1に，使用したモデルの形状を示す。渦流形ダイオ

ード素子の構成は，矩形ノズルを入力口とし，渦室の中央 に円形の出力口を持つ場合で，入力口の前段には，一様流 を得るために，絞りと整流格子を置く。また，曲壁面の構 成は渦室の旋回を225。までとした場合である。材質は透明 アクリル樹脂である。      ．

Fig．1 Experimental model of vortex diode or curved wall

＊機械工学科

＊＊岡山大学工学部

 Fig．2に，本研究に使用した実験装置の概略を示す。 M はFigユに示したモデルで，水をn・一一ターメーターを通し て供給し，流速をレーザードップラー流速計で測定する。

水には散乱粒子として市販のミルクを少量混入する。光源       む

として．5mWのHe−Neガスレーザ（波長6328A）を使用し，

津山高専紀要第17号（エ979）

フリンジモーードでドップラー信号を発生させ，ホトディテ クター（PD）で受信し，周波数トラッカーで計測する。

T

口

P

M

v ^PD

ytt

T：tank P：pump R．M；rotor meter M：model

L．S： laser source F．T： frequency tracker

Fig．2 Schematie diagram of experimental setup    R．M

R．M； rotor meter P．D： photo detector

3．渦流形ダイオード素子

 Fig．3は，入力ロノズル幅B＝10mm，アスペクト比（ノ ズル深さ／ノズル幅），AR−1，出力口半径Ro＝ 6 mmの

P ．Ve JVr kg1C㎡m／S

O．6

O．4

O．2

3

2

AR＝1Q＝61／min

剛叫ノ厘

避

﹄

1

：：

le・げ：：

！ts P

E：：

E

   Ve

Vr 12

︶

10

Fig．3 Static pressure distribution and tangential or    radial velocity distribution in the chamber

渦流形ダイオード素子で，流量Q二61／minの場合の静圧 P，接線方向速度Vθ及び半径方向速度Vrのグラフであ る。ノズルからの噴流が渦室と接する位置を0。とし，旋回 角度が0。と180。の値を示す。

 3−1静 圧 分 布

 静圧は，水銀マノメーターで測定したもので，渦室の外 周から内に向ってゆるやかに減じ，渦室中央で最小値をと るが特徴は認められない。実験は，出力口でコアの生じな い比較的ゆるやかな流れで行ったので，静圧は負圧となら ない。

 3−2 速 度 分 布

 接線方向の速度分布は，渦室外周に近いところでは入力 口からの噴流の影響をかなり受けている。また旋回が進む に従いその影響は少なくなっている。半径：方向の速度は，．

接線方向の速度に比べて値は小さく，しかも旋回流が渦室 中央部にかなり近づいてもほとんど変化しない。

 Fig．4は，アスペクト比AR＝1，5の素子で，旋回角 度：θ・＝O。，180。，325。の位置での脳室内速度分布である。

（a）は，AR＝1， Q＝61／minの場合で，半径30mm付近 まで入力口からの噴流の影響が現われる。また流体の旋回 が進むに従い，噴流の影響は減少する。（b）は，AR ・＝ 5，

Q＝141／minの場合である。

 米持4）らが，渦室内流れは，30mm＜R〈50㎜の範囲で 強制渦の影響を受けることを報告しているが，この実験に おいて入力ロノズルからの噴流が渦室内の速度分布に影響 を及ぼすことが確められた。

 出力口を除く渦室の全域で，流れが自由渦であると仮定 すると，Vθ・R・一 一定なる関係が成り立つはずであるか ら，この仮定の妥当性を検討するために，RとVθ・Rの関 係をプロットすると，．Fig．5のよう｝こなる。 R＞30㎜で Vθ・Rは一定とならず，自由渦の仮定はくずれている。ま た12mm＜R＜30mmの問の自由渦領域についても，摩擦力 及び噴流の影響を受けていることが推測される。

4．曲壁面噴流

 Fig．6は，ノズル幅B，一様速度Uoの二次元噴流が曲 率半径Riの曲壁面に沿って流れる場合の様子である。噴 流がノズルを離れるにつれて，速度の不連続のために，壁 面側には境界層，流体側にはせん断層が生じ，混合領域を 形成する。一様流であった噴流はノズルからある距離で，

境界層とせん断層が交わり，最大流速Umが現われ，十分 に発達した状態となる。曲壁面の接線方向及びそれに垂直 な方向に座標軸をとって，噴流の速度分布を考える。Uは 壁からの距離Yでの速度，Xは！ズルからの距離で， Hは Uが0．5Umなる速度を有する壁面からの距離で半値幅で ある。δは境界層の厚さ，Ueは巻き込み速度である。

一20一

m／S3

2

1

o

渦流形ダイオー．ドの渦室内に流れの実験的研究 大．西・浅野・和田

       m／s

AR＝5

Q＝^{I4 ［ノ噛}

θ。

槻 ⁰ 購 ¹⁸⁰ 齢 ^3．25

3

2

1

10

AR＝1Q＝61／rLnin

      eo

amI O

mm ［1 80

A−Ar−A 1325

       R        O

 20 30  40 50mm 10 20 ．30 40

     （a） ． （b）

      vb−R

      O．O ．8

AR＝1

       AR＝5 Q＝6 1／min      Q＝141／min       O．06

      0，04

R

Ve・R O，O 8

006

0．04

002

0．o o

50 mm

ぴ

剛 ⁰

㊥一（］）一Φ 325

R

OD 1

O．02

0．oo

ぴ

鰯 ⁰

鰯 ³²⁵

（．？・03 O・05 m， V U  o．ol． （6）

Fig．5 Variatien of tahgential velocity thultiplid by radius

66・li．3 R

O．05 m

津：山高専紀要第17号（1979）

v

6

Um

歯   Ri

B Y

→

Ue

／へe

O，5Urn

Um

u7隔

H

     ・x

Fig．6 Definition sketch of turbulent curved wall jets

 Fig・7の（a）はノズル（1）の場合の速度分布で，ノズル 幅はB＝6．5mmである。（b）はノズル（2）の場合で，ノズ ル幅はB＝3．1mmである。曲壁面側の境界層は比較的成長 が少ない。これは平板壁面噴流の場合3）に比べて回転運動 による影響が大きいからであると考えられる。Fig．8は，

Fig．7のグラフをU／Um−Y／Hで整理したものである。各 々の旋回位置での速度分布は，全く相似とは言えないが，

全体的傾向としてU／Um＝f（Y／H）の関係がある。 Fig・9 は，速度比Um／Uoの減衰のグラフで， Um／Uo ・f（X／B）

で表わされる。Fig．10は噴流の拡散のグラフで，旋回流と しての十分な発達をした流れでは，H／B・＝f（X／B）で表わ される。

 以上のことより，U＝f（X， Y）となり，噴流の速度分布 を具体的に知ることができ，渦流形ダイオード素子の渦室 内流れを，自由渦と曲壁面噴流の組合せであると考えて解 析することができる。

︵ロ︒︑﹀

2．4

2．0

1．6

1，2

V O．8

O．4

o．o

蕊 ^AR＝5Q＝ 60 ［／min NOZZLE ） X m，ct

O佃X一αOO

（｝一（D−E） X−O．01

r）一Eva × 015 e 一ds） e−ooo 18Hi｝一lig e−045

一 e 一〇go 田一m一田e−135

4晦e−180 ww e−225

ρo︒ρOub  田

ρか一ρN ︶

a

︵

； 蔦 K

o︺︑﹀

2，4

2．0

1．6

1，2

一 O．8

O．4

o．o

十

AR胃10 Q＝28S ttmin NoZZLE（2） xm，e 一G−e−e x−o，oo e＞一e−q） x−o，ol r）一ee x−o．01 s tNvA） e−o o o Qe−ce−ea） o−04 s

一 e−ogo

肝田一田e−135 iF−IMS e 一1 SO

柵θ一225

；一﹄

ドO

O．q︒Oφω

  田ρト︵

ρN ︶

︵ b

Fig．7 Velocity distribution in a curved wal jet

一22一

4

2

0

2

β1

2

望

︵エ︑﹀︶

3

0

4 0

O．O

渦流形ダイオード鯛室内に流れの実験的研究

AR＝5Q＝6011min

NOZZLE（1）  θo     いθ一θ一く…） 000 Φ一Φ一Φ  045

蹴｝｛】 090

鋤  董35 鰯  180

＋→一 ＋ 225

ρN ︵エ︑﹀︶

4

2

2︒ 0

t6

t2

Q8

4 0

大西・浅野・和田

AR＝10 Q＝28．51／min N62Ziof（ 5

e−e−e ooo 分Φ一Φ  045 匹1Fヨー日  090

◎働  135

購  180

一 225

     t t r ．一 OOvet ．o o． p^象

    σ）     qD      O      卜」      3㌧       N      か      （D      （D

  （U／Um）      （UIUm＞

     （a） ． （b）

        Fig．8 Similarity of velocity profiles in curved wall jets

デO 回N 一．か

つ2

る 一 α

t

︵o⊃︑E⊃︶ 石

1

． の

0

口

    e

鴫

NQZZLE／Q（［／min）

GFe−E） N（1）一15．00

㊦ト〈ひ一〈D N（1＞一30、00 e一ヨー長】 N（1）一60．00 am N（2）一 7．45 ca−e−e N（2）一14．30

N N（2）一28．50

  十

  g一一一一一一ts−g

    o         卜。      b      の         oo     o         o      o      o         O

      （X旭）

Fig．9 Correlation of the velocity．scale for curved      wall jets

0

4

O  

O

へ﹂    2 ︵o⊃≡︶

㌃0

1

0

0

 NOZZLE／Q（しノmin）

GF−E＞一〇 N（1）一15．00 E，一GFC） wt1）一30．00

【ヨー昌「【コ N（D−60．00 A−eH1） M2）一 7．45

＆一f｝一一ajD N（2）一一14．30 十一1一→一 N（2）一28．50

      b       牽

      e

。葛 。  ㊥ 調色・1．8◎。

△歯＋

     P        N         」卜        σ｝       GO      o      o

       o         o         o       （X／B）

Fig．10 Growth of the length scale for curved wall jets

津山高専紀要

        5．結     言

 渦流形ダイオード素子の渦室内流れについて得られた主 要な点は，次の通りである。

 1）出力口を除く渦室全域で，速度分布は，自由渦と曲 壁面噴流の組合せである。

 2）静圧分布は，曲壁面噴流の影響を受けず，全体の傾 向に従う。

 3）曲壁面噴流は，十分発達した流れにおいて，速度分

第17号（1979）

布にかなりの相似性がみられる。

        参．考 文 献

1） J． Grant， et al， Measurement and Control vol． 9， p． 145／

 149 （1976）

2） R． T． Bichara， et al， Trans． ASME， p． 755／763 （1969）

3） N． Rajaratnam， Turbulent Iets p， 211／225 （1976）

4）米持ら，第12回フルイディクスシンポジュウム講演論  文集，P．81／86（1977）

一24一