曲がりディフューザ内の流れに関する研究

文

論

位

学

士

博

曲 が りディフユーザ 内 の 流 れ に関 する研 究

男

全

本

山

文

論

位

学

士

博

曲 が りディフユーザ 内 の 流 れ に関 する研 究

平 成4年10月

男

全

本

山

序 論

目

次

1

第1章

曲が りデ ィフ ユーザ内の案 内羽根 および壁面粗 さの流れ に及 ぼす影響

1.1緒 言 1.2主 な 記 号 1.3整 理 式 1.3.1曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 流 速 の 測 定 1.3.2三 次 元 流 れ の 速 度 ベ ク トル の 決 定 1.3.3等 速 度 線 図 お よ び 旋 回 速 度 線 図 1.3.4圧 力 係 数 1.3.5デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 1.4実 験 装 置 お よ び 方 法 1.5実 験 結 果 お よ び 考 察 1.5.1壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 1.5.2等 速 度 線 図 お よ び 旋 回 速 度 線 図 1.5.3デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 1.5.4タ フ ト法 に よ る 可 視 化 1.6結 言 6 6 8 8 9 12 13 14 16 19 19 28 33 34 36

第2章

曲が りデ ィフユーザの長 さおよび案 内羽根長 さの流れ に及ぼす影響

2.1緒 言 2.2主 な 記 号 2.3実 験 装 置 お よ び 方 法 2.4実 験 結 果 お よ び 考 察 2.4.1壁 面 圧 力 分 布 2.4.2等 速 度 線 図 お よ び 旋 回 速 度 線 図 37 37 37 39 39 43

2.4.3デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 2.5結 言 49 49

第3章

曲が りデ ィフユーザの入 口形状 および後方直管の流れ に及ぼす影響

3.1緒 言 3.2主 な 記 号 3.3実 験 装 置 お よ び 方 法 3.4実 験 結 果 お よ び 考 察 3.4.1壁 面 圧 力 分 布 (1)デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 形 状 の 違 い に よ る壁 面 圧 力 分 布 ② 後 方 直 管 を 接 続 した 場 合 の 壁 面 圧 力 分 布 3.4.2等 速 度 線 図 3.4.3デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 3.5結 言 51 51 52 55 55 55 60 65 66 69

第4章

曲が リデ ィフ ユーザ入 口の速度勾配 の変化が流れ に及ぼす影響

4.1緒 言 4.2主 な 記 号 4.3実 験 装 置 お よ び 方 法 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 4.4.2速 度 勾 配 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 4.5.2乱 れ 強 さ 4.5.3壁 面 圧 力 分 布 4.5.4デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 4.6結 言 71 71 72 75 75 76 77 77 7$ 80 84 85

第5章

曲が りデ ィフユーザ内の案内羽根前縁位置が流れ に及ぼす影響

5.1緒 言 5.2主 な 記 号 5.3実 験 装 置 お よ び 方 法 5.4実 験 結 果 お よ び 考 察 5.4.1壁 面 圧 力 分 布,速 度 分 布 お よ び 速 度 ベ ク トル 5.4.2デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 5.5結 言 86 86 87 90 90 96 97 第6章 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の速 度 分 布 が 一 様 な 流 れ の 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン と可 視 化 6.1緒 言 6.2可 視 化 実 験 装 置 お よ び 方 法 6.3数 値 計 算 6.3.1計 算 手 法 6,3.2計 算 モ デ ル 6.3.3基 礎 方 程 式 お よ び 計 算 方 法 6.3.4境 界 条 件 6.3.5計 算 手 順 お よ び 収 束 判 定 6.4実 験 結 果 お よ び 考 察 6.4.1有 限 要 素 法 に よ る 数 値 計 算 お よ び 流 れ の 可 視 化 (1)Re数 の 変 化 に よ る流 線,う ず 度 お よ び流 脈 に つ い て (2) (3)デ ィ フ ユ ー ザ の 対 数 ら線 角 β の 変 化 に よ る影 響 に つ い て 6.4.2有 限 要 素 法 と差 分 法 に よ る流 れ 関 数 お よ び うず 度 の 比 較 6.4.3風 洞 実 験 との 比 較 6.5結 言 98 99 103 104 104 105 113 114 116 116 116

案内羽根 のそ う入の有無お よびそ う入位置 の影響 について119

123 126 130 130

第7章 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 入 ロ の 速 度 分 布 が 速 度 勾 配 を も つ 流 れ の 数 値 シ ミ ュ レー シ ョ ン と可 視 化 7.1緒 言 7.2実 験 装 置 お よ び 方 法 7.3数 値 計 算 7.4実 験 結 果 お よ び 考 察 7.4.1案 内 羽 根 そ う 入 位 置 の 影 響 に つ い て 7.4.2案 内 羽 根 前 縁 位 置 の 影 響 に つ い て 7.4.3風 洞 実 験 との 比 較 7.5結 言 132 132 134 134 134 136 137 137

総

括

139

文

献

145

謝

辞

152

序

論

近 年,工 業 界 に お け る 流 体 機 械 は,高 速 小 型 化 ま た は大 容 量 化 が 容 易 に な って き た こ とか ら,産 業 用,交 通 機 関 用,家 電 商 品 用 な ど 各 種 プ ラ ン トや 流 体 の 輸 送 シ ス テ ム な ど に お い て 数 多 く利 用 さ れ,か つ,そ の 種 類 も多 岐 に わ た っ て き て い る.こ れ らの 流 体 機 械 や 管 路 内 の 流 れ で は,流 動 損 失 が 速 度 の2乗 に 比 例 して 増 加 す る こ と か ら,管 路 内 の 流 体 の 速 度 が 大 き い ま ま で は エ ネ ル ギ の 損 失 が 大 き く, 流 体 の 輸 送 に は不 都 合 で あ る. そ こで,流 体 の 流 動 損 失 を 小 さ くす る た め に,流 れ を い っ た ん 減 速 して 運 動 エ ネ ル ギ を 圧 力 エ ネ ル ギ に変 換 す る 方 法 が 用 い られ る が,そ の 際,流 路 内 の 圧 力 損 失 を で き るだ け 少 な く して 有 効 に エ ネ ル ギ 変 換 を 行 う必 要 が あ る.こ の エ ネ ル ギ 変 換 は流 路 断 面 積 を 変 化 さ せ る こ と に よ って 達 成 で き る こ とか ら,流 路 断 面 積 を 上 流 か ら下 流 の 方 向 に 向 か って 徐 々 に拡 大 さ せ た デ ィ フ ユ ー ザ が 幅 広 く用 い られ て い る. そ の う ち,ポ ン プ,送 風 機 や 水 車 な どで 用 い られ て い る デ ィ フ ユ ー ザ は,そ の 構 造 上,寸 法 に 制 限 が あ る こ と か ら,そ の ほ とん ど が 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 形 状 を も って お り,こ れ は,羽 根 車 や 案 内羽 根 の 一 流 路 を 見 て も理 解 す る こ と が で き る.こ の デ ィ フ ユ ー ザ の 性 能 の 良 否 が 流 体 輸 送 の 損 失 減 少,流 体 機 械 の 性 能 向 上, さ ら に は 省 エ ネ ル ギ 問 題 に 関 係 す る こ とか ら,デ ィ フ ユ ー ザ に 関 す る研 究 は 工 学 的,工 業 的 見 地 か ら重 要 な 課 題 で あ る と い え る. しか しな が ら,デ ィ フ ユ ー ザ は,比 較 的 単 純 な 流 路 形 状 で あ る に もか か わ らず, 減 速 流 れ で あ る た め に,そ れ に 伴 う流 れ の は く離 や うず の 発 生 が 起 こ り易 く,し た が って,流 路 内 の 流 れ 現 象 が 複 雑 に な る こ と か ら,現 在 ま で の と こ ろ,工 学 的, 工 業 的 に も十 分 解 明 さ れ て い な い. デ ィ フ ユ ー ザ に 関 す る研 究 に つ い て は,現 在 ま で,理 論 的,実 験 的 な 報 告 が い くつ か 見 られ るが,そ の 研 究 対 象 と され て い る デ ィ フ ユ ー ザ 形 状 は,比 較 的 取 り 扱 い が 簡 単 な デ ィ フ ユ ー ザ,す な わ ち,Klineら(1)に よ る 二 次 元 直 線 壁 の デ ィ フ ユ ー ザ やWinternitzら(2)に よ る 円 す い デ ィ フ ユ ー ザ な ど で あ り,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ を 独 立 した 機 械 要 素 と して 取 り上 げ た 研 究(3)∼(7)は わ ず か に見 られ る程 度 で あ る. 1

ま た,デ ィ フ ユ ーザ の 性 能 に 影 響 を 及 ぼ す もの と して は,壁 面 の 粗 さ や,デ ィ フ ユ ー ザ の 形 状 そ の もの の 違 い に よ る ほ か,デ ィ フ ユ ー ザ 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う 入 す る か 否 か,そ う入 した 場 合,そ の そ う入 位 置,そ う入 枚 数 お よ び 長 さ の 変 化 な どが 考 え られ る が,こ れ らの 変 化 が 特 性 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て の 研 究 を 行 っ た も の は ほ とん ど 見 られ な い. た だ 神 山(8),伊 藤 ら⑨ に よ る 断 面 積 が 一 様 な 曲 が り流 路 に 案 内 羽 根 を そ う入 し た と き の 効 果 に 関 す る理 論 計 算 実 験 な らび に 黒 川 ら(10)によ る 回 転 円 板 の 流 れ に 関 す る粗 さ の 影 響 に つ い て の 報 告 が い くっ か あ るの み で,デ ィ フ ユ ー ザ の 性 能 や そ の 流 れ を 知 る に は 十 分 で は な い. 一 般 に_{,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 流 れ で は,凸 壁 面 の 上 流 側 に 低 圧 部 が 生 じ,} そ の 下 流 で は 凸 壁 面 に 沿 って 圧 力 が 上 昇 し,速 度 は 低 下 し,そ の 結 果,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 付 近 の 凸 壁 面 側 に 大 き な は く離 領 域 が 生 じ,こ れ が損 失 増 大 の原 因 で あ る こ と が 予 測 で き る. した が っ て,こ の は く離 の 抑 制 効 果 の 大 き い 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ を 見 出 す こ と は 工 学 的,工 業 的 に 意 義 あ る こ とで あ る. ま た,遠 心 形 流 体 機 械 の 羽 根 車 出 口付 近 の 速 度 分 布 は 必 ず し も一 様 流 れ で は な く,凹,凸 壁 面 の い ず れ か に 偏 っ た せ ん 断 流 れ に 近 い 形 状 を 示 す と い う こ と を 有 賀 ら(11)は報 告 して お り,こ の こ と か ら,入 口 速 度 分 布 が あ る 速 度 勾 配 を も っ た せ ん 断 流 れ の 場 合 の 曲 が り デ ィ フ ユー ザ の 性 能 を 知 る こ と も重 要 な こ とが らで あ る. しか し,入 口 速 度 分 布 が せ ん 断 流 れ を もつ 場 合 の デ ィ フ ユー ザ に 関 す る 研 究 も, Liveseyら(12)に よ る 二 次 元 デ ィ フ ユ ー ザ の せ ん 断 流 入 の 実 験 お よ び 中 村(is)Wolf (14)益 田(15)らに よ る 入 口 速 度 分 布 の 変 化 が 性 能 に 及 ぼ す 実 験 的 研 究 が わ ず か に 見 ら れ る程 度 で あ る. こ れ らの こ と か ら,デ ィ フ ユ ー ザ に流 入 す る入 口速 度 分 布 の 形 状 が 種 々 の もの に つ い て,デ ィ フ ユ ー ザ 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う入 し,そ の 長 さ お よ び そ う 入 位 置,さ ら に,流 路 断 面 積 の 拡 大 比 に 関 係 す る デ ィ フ ユ ー ザ 中 心 線 長 さ な ど を 変 え た も の に つ い て 実 験 を 行 い,デ ィ フ ユ ー ザ 性能 に 及 ぼ す 影 響 を 知 る こ と も意 義 あ る こ とで あ る. 2

さ ら に,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 流 れ を 数 値 解 析 に よ り シ ミ ュ レ ー ト し,こ れ と可 視 化 に よ る結 果 と の 比 較 検 討 を 行 い,数 値 解 析 の 結 果 の 検 証 が で きれ ば,今 後 は,種 々 の 形 状 の 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の モ デ ル に つ い て,風 洞 実 験 を 行 う こ と な く,数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ン の み で 容 易 に デ ィ フ ユ ー ザ 形 状 の 良 否 を 判 定 す る こ とが で き る こ とか ら,こ れ も工 学 的,工 業 的 に意 義 あ る こ とで あ る. そ こで,本 論 文 に お い て は,遠 心 形 流 体 機 械 の 羽 根 車 を 出 た 流 れ が,平 行 壁 間 を 通 る と き の 流 線 が 対 数 ら線 に近 い 形 状 を 描 く こ とか ら,円 形 翼 列 状 に 配 置 した 対 数 ら線 壁 を 持 っ 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の 一 流 路 を 取 り出 した モ デ ル を 用 い て,二 次 元 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 直 管 部 の 速 度 分 布 の 形 状 が 一 様 流 れ お よ び 凹 壁 面, 凸 壁 面 側 に そ れ ぞ れ 速 い せ ん 断 流 れ を も った 速 度 勾 配 の 異 な る もの に つ い て,流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う入 し,そ の そ う入 位 置,案 内 羽 根 長 さ,案 内 羽 根 の 前 縁 位 置 お よ び デ ィ フ ユ ー ザ 中 心 線 長 さ を 種 々変 え た 場 合 の デ ィ フ ユ ー ザ 性 能 に 及 ぼ す 影 響 に つ い て の 研 究,さ ら に,有 限 要 素 法 を 用 い た 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 流 れ の 数 値 シ ミ ュ レ ー シ ョ ンな ら び に 注 入 流 脈 法 を 用 い た 流 れ の 可 視 化 に よ っ て,デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 流 れ や そ れ に伴 う諸 現 象 を 視 覚 的 に と らえ る研 究 を 行 い,こ れ ら が 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の 性 能 に及 ぼ す 影 響 を 明 らか に し,そ の 性 能 向 上 を 図 る こ とを 目 的 と した 研 究 を 行 っ て い る. 本 論 文 は7章 よ り構 成 さ れ て お り,以 下 に 各 章 に つ い て そ の 概 要 を 述 べ る. 第1章 に お い て は,円 形 翼 列 状 に 配 置 した 対 数 ら線 壁 を も つ 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 一 流 路 を 取 り 出 した モ デ ル を 用 いて の 風 洞 実 験 の 整 理 式,装 置 お よ び 方 法 に つ い て 述 べ る と共 に,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 速 度 分 布 が 一 様 な 流 れ に 対 して,デ ィ フ ユ ー ザ の 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う入 しな い 場 合,案 内 羽 根 を そ う入 した 場 合 の そ う入 位 置,そ う入 枚 数 の 変 化 お よ び デ ィ フ ユ ー ザ の 壁 面 粗 さ を 変 え,そ れ らを 種 々 組 み 合 わ せ た もの に つ い て 実 験 を 行 い,と くに,案 内 羽 根 そ う入 枚 数 お よ び そ う入 位 置 の 変 化 が デ ィ フ ユ ー ザ 凹,凸 壁 面 圧 力 分 布 や デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 影 響 を 明 らか に して い る. 第2章 に お い て は,曲 が り デ ィ フ ユー ザ の 入 口,出 口 の 拡 大 比 の 違 い,す な わ ち,デ ィ フ ユ ー ザ の 中 心 線 長 さや 案 内羽 根 長 さの 違 い が デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 や デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 影 響 を 種 々 の 案 内 羽 根 そ う入 位 置 に つ い て 明 ら か に して い る. 3

第3章 に お い て は,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 形 状 の 違 い や デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 に 直 管 を 接 続 す る か 否 か が デ ィ フ ユ ー ザ 性 能 に ど の よ うな 影 響 を 与 え る か を 知 る た め に,第1章,第2章 で 用 い た 入 口形 状 と は 異 な る もの に つ い て,デ ィ フ ユ ー ザ の 後 方 に 接 続 さ れ た 直 管 の 長 さ,案 内 羽 根 の そ う入 位 置 と そ の 長 さお よ び デ ィ フ ユ ー ザ の 中 心 線 長 さ の 変 化 が デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 や デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 影 響 を 明 らか に して い る . 第4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 る入 口 速 度 分 布 の 形 状 が,凸 壁 面 側 に 速 い 流 れ お よ び 凹 壁 面 側 に速 い 流 れ を も っ た 二 次 元 非 軸 対 称 せ ん 断 流 れ に つ い て,案 内 羽 根 の そ う入 の 有 無 そ う入 し た と き の そ う入 位 置 お よ び 速 度 勾 配 の 変 化 が デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 や デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に及 ぼ す 影 響 を 明 らか に して い る. 第5章 に お い て は,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ に流 入 す る流 れ は,曲 が り始 め の 入 口 部 近 くの 上 流 で す で に 曲 が り に よ る 影 響 を 受 け,し た が って,案 内 羽 根 前 縁 位 置 の 違 い が デ ィ フ ユ ー ザ 性 能 に 大 き い影 響 を 及 ぼ す で あ ろ う と考 え られ る. そ こで,二 次 元 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 直 管 部 の 速 度 分 布 が 一 様 流 れ の もの に つ い て,流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う入 し,そ の そ う入 位 置 お よ び 案 内 羽 根 の 前 縁 位 置 を 変 え て,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 や デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 上 流 の 直 管 部,案 内 羽 根 の 前 縁 位 置,出 口 部 で の 速 度 お よ び 速 度 ベ ク トル の 分 布 を 測 定 す る こ と に よ り,こ れ らの 違 い が デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 影 響 を 明 らか に して い る. 第6章 に お い て は,曲 が り デ ィ フ ズ ーザ 入 口 の 速 度 分 布 が 一 様 な 流 れ の 場 合 に つ い て,風 洞 実 験 で 得 られ た 結 果 の 確 証 を 得 る こ と と,数 値 シ ミ ュ レー シ ョ ン に よ って 性 能 の 良 好 な 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の 形 状 を 予 測 で き る か 否 か の 指 針 を 得 る た め に,風 洞 実 験 で 用 い た もの と同 じ形 状 の 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の モ デ ル だ け で な く,対 数 ら線 形 状 の ら線 角 の 異 な る モ デ ル に っ い て も色 素 注 入 流 脈 法 に よ る 可 視 化 を 行 う と共 に,有 限 要 素 法 に よ る数 値 解 析 を 行 い,曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ 内 の 案 内 羽 根 の そ う 入 位 置 の 変 化 が,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の フ ロ ー パ タ ー ン に 及 ぼ す 影 響 を 可 視 化 と 数 値 解 析 の 両 者 か ら明 らか に して い る.さ ら に,数 値 解 析 に お い て は,有 限 要 素 法 と 差 分 法 に よ る 流 れ 関 数 お よ び うず 度 の 比 較 も行 って い る. 4

第7章 に お い て は,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 前 方 の 速 度 分 布 が 凸 壁 面 側 に速 い 流 れ の 場 合 に つ い て,案 内 羽 根 の そ う入 の 有 無 そ う入 した と きの そ う入 位 置 お よ び 案 内羽 根 の 前 縁 位 置 の 違 い が 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ の フ ロ ー パ タ ー ン に 及 ぼ す 影 響 を 色 素 流 脈 法 を 用 い た 可 視 化 に よ って 明 らか にす る と共 に,有 限 要 素 法 に よ る数 値 計 算 との 比 較 検 討 を 行 って お り,そ の 目 的 は前 章 と同 じで あ る. 5

第1章

曲が りディフユーザ内の案内羽根および壁面粗さの流れに及ぼす影響

1.1緒 言 流 体 の 管 路,ま た は ポ ン プ,送 風 機 な ど の 流 体 機 械 内 に お け る 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ は ,断 面 積 を 広 げ て 流 体 の もつ 運 動 エ ネ ル ギ を 有 効 に圧 力 エ ネ ル ギ に 変 換 す る も の と して 性 能 上 重 要 な 役 割 を 果 た して い る.そ れ に もか か わ らず,曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ を 独 立 した 機 械 要 素 と して 取 り上 げ た研 究(16)∼(19)は あ ま り な く, と くに,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の 粗 さ の 変 化 が 性 能 に 及 ぼ す 影 響 や,デ ィ フ ユ ー ザ 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う入 し た 場 合 の 特 性 に っ い て の 研 究 を 行 っ た もの は ほ と ん ど な い よ うで あ る. た だ,長 方 形 断 面 の 曲 が り流 路 内 の 二 次 流 れ の 研 究 や 曲 が り 管 の 水 力 損 失 の 流 (29)^一(23) れ に 関 す る粗 さ の 影 響 に つ い て の 報 告 は い くっ か あ る が,デ ィ フ ユ ー ザ の 性 能 や そ の 流 れ を 知 る に は 十 分 で は な い. そ こ で 本 章 に お い て は,遠 心 形 流 体 機 械 の 羽 根 車 を 出 た 流 れ が,平 行 壁 間 を 通 る と き の 流 線 が 対 数 ら線 に 近 い 形 状 を 描 く こ とか ら,円 形 翼 列 状 に配 置 し た 対 数 ら線 壁 を もつ 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 一 流 路 を 取 り 出 し た モ デ ル を 用 い て,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 速 度 分 布 が 一 様 な 流 れ に対 して,デ ィ フ ユ ー ザ の 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う 入 しな い 場 合 と案 内 羽 根 を そ う入 し た 場 合 の そ う入 位 置,そ う入 枚 数 を 変 え た もの に つ い て,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の 粗 さ を 種 々 変 え た 実 験 を 行 い,と く に, 案 内 羽 根 そ う入 枚 数 お よ び そ う入 位 置 の 変 化 が デ ィ フ ユ ー ザ 凹,凸 壁 面 圧 力 分 布 や デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 に 及 ぼ す 影 響 を 明 らか に して そ の 性 能 向 上 を 図 る こ と を 目 的 と し た 研 究 を 行 って い る. 1.2主 な 記 号 ・B,,B2'デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 幅,出 口幅 bデ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 凸 壁 面 か ら案 内 羽 根 そ う入 位 置 ま で の 距 離 b/β1同 無 次 元 値 6

ρ α

c

ら

Cμ Cpr 3 万 、 万}1 ん η K Kn KS K/BI   り Z L 玩 z/L P 万1 P2 p2' pa Pn ptr 圧 力 係 数=2(p-p1)/ρ 一Ui2 デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 圧 力 を大 気 圧 と考 え た 圧 力 回 復 率 =2(Pa一 万1)/ρ τ「12 理 論 圧 力 回 復 率e1-(B,/BZ)2 実 際 圧 力 回 復 率=2(P2-Pt)/ρ 万K2 重 力 加 速 度 デ ィ フ ユ ー ザ 高 さ=300mm 傾 斜 管 マ ノ メ ー タ で の 静 圧 の 読 み の 平 均 値 傾 斜 管 マ ノ メ ー タ で の 全 圧 の 読 み の 平 均 値 5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 の 圧 力 孔 で の 傾 斜 管 マ ノ メ ー タ の 読 み Cn=1,2,3,4) 砥 粒 の 平 均 大 き さ 5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 の 圧 力 孔 の 圧 力 係 数(n=1,2,3,4) 流 速 の 三 次 元 方 向 を 示 す 係 数 壁 面 粗 さ係 数 デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 を 基 準 と して 凹 壁 面 ま た は 凸 壁 面 に 沿 っ て 測 っ た 出 口 ま で の 距 離 デ ィ フ ユ ー ザ の 中 心 線 長 さ=400mm デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 よ り案 内 羽 根 後 縁 ま で の 長 さ デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 を 基 準 と して 凹,凸 壁 面 ま た は 案 内 羽 根 面 に 沿 っ て 測 っ た 任 意 の 距 離 同 無 次 元 値 壁 面 ま た は 案 内 羽 根 面 静 圧 デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 で の 平 均 静 圧 デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 平 均 静 圧 デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 理 論 圧 力 大 気 圧 5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 の 圧 力 孔 で の 圧 力(n=1,2,3,4) 入 口 直 管 部 で の 平 均 全 圧 7

一び l U2 Un ひt Uu Ux びy Ua ひt/U1 砺/び 且 α β δ η デ ィ フ ユ ー ザ 入 ロ よ り上 流150mmの 直 管 部 で の 平 均 流 速 三 次 元 流 れ の 合 成 速 度 5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 の 圧 力 孔 で の 流 速 UZに 直 角 な 平 面 上 のUxとUyの 合 成 速 度 z-y平 面 上 の 二 次 元 的 な 合 成 速 度 Uzに 直 角 な 水 平 方 向 の 分 速 度 Uzに 直 角 な 鉛 直 方 向 の 分 速 度 デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 面 に垂 直 方 向 の 速 度 成 分

=Uu/COS

(n=1,2,3,4)

=vひ2x+vZy =び ジ εα π δ =ひu°8乙nα ={ノu'CO8α 旋 回 速 度 係 数=∼/U2x+UzY/万1 等 速 度 係 数 UuとUZと の な す 角 度 対 数 ら 線 角=20° UuとU、 と の な す 角 度 =ひuへ/`an2δ 十8Ln2α/万1 =びu・CO8α/Ul デ ィ フ ユ ー ザ 効 率=(C四/Cpi)×100 お よ び(CprICpi)×100 θ ア ル コ ー ル 傾 斜 マ ノ メ ー タ の 傾 斜 角 palア ル コ ー ル の 密 度 pair空 気 の 密 度 1.3整 理 式 1.3.1曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 流 速 の 測 定 デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 直 管 部 で の 平 均 流 速 万1は,一 様 流 れ に お い て は 全 圧 ピ トー 管 を 用 い る こ と に よ り 得 られ た 平 均 全 圧 万 自 と,基 準 点 に お け る壁 面 の 平 均 静 圧 万1に よ り算 出 す る. こ こで,入 口 直 管 部 に お け る平 均 流 速 を 丁 乳(m/s),¥/均 全 圧 瓦1(Pa),平 均 静 圧p  (Pa),空 気 の 密 度 ρ。tr(kg/m3)と す る と,ベ ル ヌ ー イ の 定 理 よ 8

り(1.1)式 が 成 り 立 っ. Pt=万 童十(ρ α`r/2)・ 丁2E(1.1) 上 式 を 万1に つ い て 解 く と(1.2)式 を 得 る. U1=1/2・(ptE-P  )/Fair(1 _,2) こ こ で,全 圧 お よ び 静 圧 の 測 定 は,ア ル コ ー ル 傾 斜 マ ノ メ ー タ(傾 斜 角 θ=30°) で 行 う. し た が っ て,傾 斜 管 マ ノ メ ー タ で の 全 圧 の 読 み の 平 均 値hti(m),静 圧 の 読 み の 平 均 値h,(m),ア ル コ ー ル の 密 度 ρ。!(kg/m3),重 力 加 速 度g(m/s2)と す る と(1.2)式 は U一且=2・pat・3・Sanθ ・(ん自 一hl)/pazr(1 _.3) と な り,(1.3)式 に よ っ て 入 口 平 均 流 速Uを 求 め る こ と が で き る. M雪 ivoOI ._ i 1.16 1.36 PIPt 図1.1全 圧 ピ トー 管 図1.2 .2三 次 元 流 れ の 速 度 ベ ク トル の 決 定 コブ ラ形 ピ トー 管 1,3 (t)流 速 の 三 次 元 方 向 を 示 す 係 数 κ δの 定 義 お よ び 適 用 本 実 験 に お い て,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口の 全 圧 お よ び 静 圧 の 測 定 は5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 を 用 い て い る. 図1.3に5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 の 形 状,寸 法 を 示 す.各 圧 力 孔 は,支 柱 一9一

内 を 通 る 細 い 管 に接 続 さ れ て い る. こ こで,5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 の 作 動 原 理 を 述 べ る.圧 力 孔 の 圧 力 は 流 れ の 方 向 に よ っ て 異 な り,こ の 圧 力 を 傾 斜 管 マ ノ メ ー タ に よ り測 定 す る。 中 心 孔 ② を 中 心 と して,2っ の 互 い に垂 直 な 面 内 を 交 互 に ピ トー 管 を 回 転 して 流 れ の 方 向 を 決 定 す る.す な わ ち,ピ トー 管 を 回 転 して 側 孔 の 各 一 対,①,③ と④,⑤ が, そ れ ぞ れ 同 じ圧 力 を 示 す よ う に す る と速 度 ベ ク トル の 方 向 は 中 心 孔 の 軸 の 方 向 と 一 致 す る こ と は 明 らか で あ る が ,本 実 験 に お い て は,全 断 面 積 に わ た って 流 速 の 方 向 が 既 知 で あ る 一 様 流 れ の 風 洞 中 で ピ トー 管 の 検 定 を 行 い,速 度 と圧 力 の 大 き さ が 既 知 で あ る 流 れ の 中 に,流 れ に対 して 任 意 の 角 度 を な して ピ トー 管 を 置 く. 角 度 δの そ れ ぞ れ の 値 に 対 し,式(1.9)の 係 数Kδ を 各 圧 力 孔 の 値 よ り計 算 す れ ば 検 定 曲 線 が 得 られ る. す な わ ち,既 知 の 流 れ の 中 で 既 知 の 角 度 を 傾 斜 さ せ て,各 圧 力 孔 よ りの 水 頭 を 測 定 し係 数 を 計 算 して お け ば,未 知 の 流 れ の 中 に ピ トー 管 を 置 い た と き,そ の 係 数 を 求 め れ ば 逆 に 角 度 を 求 め る こ と が で き る. 図1.3の5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 に お い て,各 圧 力 孔 に 対 す る圧 力 と流 速 を そ れ ぞ れpn(Pa),Un(m/sec)と し,前 方 の 静 圧 と 流 速 を そ れ ぞ れ 万1 (Pa),防(m/sec)と す る.前 方 と5孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 上 の 圧 力 測 定 孔 の 位 置 に ベ ル ヌ ー イ の 定 理 を 適 用 す る と, iOairkOair P-1十 ・ 万`12=Pn十 ・ θn2(1.4) 22

主

駆

≡〉

図1.35孔 ア ロ ー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 一10一

を 得 る.こ れ よ り …_pairPi= 2・ 鶏 ・{1-÷ γ} こ こで, 化 した 圧 力 係 数Knは, Kn-(pn-P1ραけ ・丁 旦2)/2…(UnU2 と な る.そ こ で,速 度 の 方 向 を 示 すKδ を 次 式 で 定 義 す る. K3-K旦 Ks= KZ-K, た だ し,K1∼rlqは(1.6)式 よ り 求 ま る 各 圧 力 孔 の 圧 力 係 数 で あ る. す な わ ち,(1.6)式 を(1.7)式 に 代 入 す れ ば P3-PIP匡 一P1

(1.5)

圧 力 上 昇 量pn一 万 聖を 前 方 の 動 圧(Rait/2)・U2tで 割 っ て 無 次 元

(1.6)

(1.7)

(,Oair/2)・Tl2(ρ αゴr/2)・L「}2p3-.ρs s‐ ‐ P2-P丑P4-PIP2-P4 (pair/2)・U且2(,OaiY/2)・U12 と な り,各 圧 力 は ア ル コ ー ル 傾 斜 マ ノ メ ー タ に よ っ て 測 定 す る の で 式(1.8)は, i°aZ°3'(h・-h,)'sine _-h・-h,(1 .9)Ks= ,Oal・3・(h2-h4)。8inθhz-h4 た だ し,h,∼h、 は 各 圧 力 孔 で の ア ル コ ー ル 傾 斜 マ ノ メ ー タ の 読 み で あ る. 以 上 の こ と か ら,前 も っ てKSと 角 度 δ の 関 係 を 検 定 し て お き,実 験 時 に 圧 力 を 測 定 す る こ と でKSを 求 あ れ ば 容 易 に 角 度 δ を 求 め る こ と が で き る. 11.4にKδ 一 δ の 検 定 曲 線 を 示 す.図1.4KS一 δ 曲 線 ' ' ' ' ' ,' ' ' ' ' ー ノ ' O δ3 2 1 O 1 層 一 一 50 昌 一 一 ■ o ° ° ° 餌 δ κ54321 。 。 D 。 " 凹 ↓9弓喝巧45 1 卜 砲25 ひ !3 ー' 一 ! ,5 '3, , 昌 ,' 1 , 'ρ ' 一11一

(2)曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 出 ロ の 三 次 元 速 度 成 分 の 測 定 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 で の 全 圧 お よ び 静 圧 を 測 定 す る こ と に よ りz-y平 面 上 の 二 次 元 的 な 合 成 速 度 砺 が 求 ま り,他 の 速 度 成 分 は,図1.5よ り幾 何 学 的 に 計 算 す る こ と が で き る. デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 面 に 垂 直 方 向 の 速 度 成 分Uzは Uz=Uu°CO8α Uzに 直 角 な 水 平 方 向 の 分 速 度Uxは, Ux=Uutan こ こ で,δ は 図1.4のKS一 δ の 検 定 曲 線 よ り 求 ま る 値 で あ る. L'zに 直 角 な 鉛 直 方 向 の 分 速 度Uyは, Uy=UuSL12a Uzに 直 角 な 平 面 上 のUxとUyの 合 成 速 度 砺 は, 2211t=U x-1-Uy で 求 ま り,三 次 元 流 れ の 合 成 速 度U,は, Uu U2= cosδ で 求 め る こ と が で き る. 1.3.3等 速 度 線 図 お よ び 旋 回 速 度 線 図 (1)等 速 度 線 図

C1.lo)

(1,11)

(1,12)

(1,13)

(1,14}

デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 各 測 定 点 に お い て 得 られ た 軸 方 向 の 速 度 成 分 を デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口平 均 流 速 丁1で 割 っ て 無 次 元 化 した 値 は 次 式 で 表 され,こ の 値 の 等 しい 点 を 結 ぶ こ とで 等 速 度 線 図 が 得 られ る. UzUuCOSCr

_(1

_,15)

UlUl 一12一

(2)旋 回 速 度 線 図 図1.5よ り デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 に お け る鉛 直 方 向 の 速 度 成 分Uyと 水 平 方 向 の 速 度 成 分Uxは と も に 旋 回 に 関 係 す る成 分 で あ り,こ れ らを そ れ ぞ れ 入 口平 均 流 速Tlで 割 っ て 無 次 元 化 し た も の を 旋 回 速 度 係 数 と定 義 す る. 鉛 直 方 向 の 成 分 は, UyUu・SLt2CC _(1 _,16) UlU且 と な り,水 平 方 向 の 成 分 は, びxひu・6anδ _(1 _,17) U董vl と な る. 図1.53次 元 速 度 成 分 この(1.16)式 と(1.17)式 に よ り求 ま る ベ ク トル を 合 成 す る こ と に よ り旋 回 速 度 係 数 が 次 式 で 定 義 さ れ る. UtUuへ/tan2δ 十SLn2α 一=(1 .18) U旦U! した が って,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 各 点 に お い て こ の 値 を 求 め る こ と に よ っ て 旋 回 速 度 係 数 の ベ ク トル 線 図 を 得 る こ とが で き る. 1.3.4圧 力 係 数 デ ィ フ ユ ー ザ の 性 能 を 論 じ る 場 合,デ ィ フ ユ ー ザ 内 で の 速 度 エ ネ ル ギ を ど れ だ け 有 効 に 圧 力 エ ネ ル ギ に 変 換 で き る か が 問 題 と な り,そ の た め に 動 圧 よ り静 圧 へ の 圧 力 回 復 が 重 要 に な る.し た が って,デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 両 壁 面 に 沿 う静 圧 を 測 定 し,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 に お け る静 圧 分 布 を 知 る必 要 が あ る. そ こ で,壁 面 静 圧 を 無 次 元 化 した 圧 力 係 数Cpを 用 い て 表 す こ と に す る. 一13

圧 力 係 数Cρ は,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 で の 圧 力P(Pa)と デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部 で の 基 準 平 均 静 圧Ps(Pa)と の 差 圧P一 万1を デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 で の 基 準 動 圧 ρ。ガ 万 「12/2で 割 っ て 無 次 元 化 した 値 で 示 し,(1.1)式 の 関 係 を 用 い て 次 式 で 定 義 す る. P-P艮P-P墾() ρ==(1.19) AairU-12/2Pt-p-1 こ こ で,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の 圧 力pは,ア ル コ ー ル 傾 斜 マ ノ メ ー タ に よ り 測 定 す る の で 次 式 で 求 ま る. 」ρ=,Oal・3。8inθ ・h し た が っ て,(1.19)式 は(1.3)お よ び(1.20)式 の 関 係 を 用 い て palg・sine・{h-h,)h-h, Cρ= pal・3・Sinθ ・(htr-h∂htl-ha

{1,20)

(1.21)

と な る. ま た,実 験 時 に お け る 大 気 圧p、(Pa)を 無 次 元 化 し た 圧 力 回 復=cpaを 次 式 で 定 義 す る. pa-Ptha‐h,‐hlC pa=(1.22) ,Oair・U12/2ht1-hlht1-h且 こ こ で,haは 大 気 圧 の 傾 斜 マ ノ メ ー タ で の 読 み で あ り ゲ ー ジ 圧 力 水 頭 で は0で あ る. 1.3.5デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 い ま,図1.6に 示 し た 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ に つ い て 考 え,こ こ で,デ ィ フ ユ ー ザ 高 さH(紙 面 に 垂 直 方 向)を 一 定 と し,測 定 す る 流 速 が 小 さ く 流 体 の 密 度 ρ が 変 化 し な い 非 圧 縮 性 流 体 で あ る と 考 え,デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 損 失 を 無 視 して,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 直 管 部(1-1断 面)と 出 口(2-2断 面)に お い て ベ ル ヌ ー イ の 定 理 を 適 用 す る と P-t十(ρ/2)・ 丁21=p2'十(ρ/2)。U22(1.23) 一14一

と な る 。 こ こ で,添 字1,2は そ れ ぞ れ デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 お よ び 出 口 の 値 を 示 す 。 し た が っ て,(1.23)式 よ り デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 と 入 口 の 圧 力 変 化 量 は 次 式 と な る. Pz-p-i=(ρ/2)・ τ「12・{1-(02/U1)21(1.24) ま た,入 口 お よ び 出 ロ の 流 路 断 面 積 をF星,F2,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 お よ び 出 口 幅 をB,,BZと す れ ば,F韮=.B,・H,F2=B2・Hで あ り,こ れ と 連 続 の 式 ρ'F匪'万1=ρ ・F2・ θ、=一 定 の 関 係 よ り,vg/万',=Bl/B2と な り,こ れ を (1.24)式 に 代 入 す る と 圧 力 変 化 量 は 次 式 で 表 さ れ る. p2'一 万1=(ρ/2)・ 丁12・{1-(・BI/β2)2}(1.25) こ れ は,損 失 を 無 視 し た 場 合 の 理 論 的 な 圧 力 変 化 量 で あ り,こ れ を 入 口 で の 基 準 動 圧,Oair・U2t/2で 割 っ て 無 次 元 化 し た も の を 理 論 圧 力 回 復 率Cpiと す る と cpa=2・(Pz一 万1)/ρ α`r。τrl2=1-(Bi/Bz)2(1 _.26) と な る. ' 、 、 、 r 、 し 1 1 し" 図1.6デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 一15

上 式 か らわ か る よ う に,理 論 的 な 圧 力 回 復 率 は デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口,出 口 の 面 積 比,あ る い はH=一 定 の 場 合 に は,単 純 に デ ィ フ ユー ザ 入 口 幅,出 ロ 幅 の 比 で 定 ま る こ と が わ か る. そ こで,本 実 験 に お け る 理 論 圧 力 回 復 率Cρ`は,(1.26)式 に よ り求 め る. つ ぎ に,デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 圧 力 損 失 を 考 慮 した 場 合,実 際 の 圧 力 上 昇 を 入 口 の 基 準 動 圧,Oair・U2/2で 割 って 無 次 元 した もの を 実 際 圧 力 回 復 率Cp。 とす れ ば, p2-pl CPre(1,27) ραzr・U-21/2 と な る. こ こ で,pzは デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 で 実 験 に よ り求 め た 平 均 静 圧 で あ る. ま た,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 η は,実 際 圧 力 回 復 率C躍 と理 論 圧 力 回 復 率Cμ の 比 お よ び デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 圧 力 を 大 気 圧 と考 え た 圧 力 回 復 率Cpaと 理 論 圧 力 回 復 率C戸 の 比 を 百 分 率 で 表 した 式 で 定 義 し,予 備 実 験 の結 果 両 者 は次 式 の とお り等 し い こ と の 確 証 を 得 て い る. η=(Cρ γ/cpi)×100==(cpa/cpi)×100

(1,28)

1.4実 験 装 置 お よ び 方 法 吹 出 し形 風 洞 の 出 口 に ア ク リル 透 明 樹 脂 製 の 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ を 取 付 け た 実 験 装 置 の 概 略 を 図1.7に 示 す. 空 気 は 吸 込 み ダ ク ト① か ら吸 込 ま れ,送 風 機 ②,正 方 形 ダ ク ト③,整 流 格 子 ④, 吹 出 し ノ ズ ル ⑤ を 経 て 速 度 分 布 が 一 様 に な り,断 面 が80rnrn×300mmの 直 管 ダ ク ト⑥ よ り測 定 用 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ ⑨ を 通 って 大 気 中 に 放 出 され る. 本 実 験 に用 い た 測 定 用 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 形 状 お よ び 各 部 寸 法 を 図1.8に 示 す.デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 両 壁 面 は,ら 線 角,Q=20° の 対 数 ら線 の 形 状 を もち, デ ィ フ ユ ー ザ の 中 心 線 長 さL。 一=400mmの もの で あ る. ま た,図 に は 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 を 実 線 で 示 して い る.案 内 羽 根 の そ う入 位 置 は,凸 壁 面 か ら任 意 の 距 離bを 入 口 直 管 部 の 幅B,で 割 って 無 次 元 化 した 一一16

値b/、Blで 示 し,b/jB塾=0.125,0.1875,0.25,0.3125,0.375,0.50,0.75の7 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 が20° の 対 数 ら 線 形 状 と し て い る. 案 内 羽 根 の 前 縁 は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 か ら 下 流 方 向 に40mmの 位 置 と し,案 内 羽 根 の 長 さ は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 を 基 準 と して,デ ィ フ ユ ー ザ 中 心 線 長 さ の 3/4に 相 当 す る 長 さ の も の で あ る. "・ 1.7実 験 装 置 の 概 略 40 。 8 11 皿 '実 b/BI=o.フ50.50 0.37 r .2S 「 ,ヱ875 r_.125 rZ 「 .3ヱ25 r_。375 r_.50 「 .75 0.125 0.1875 o¥ro 0.3125¥¥0.2

麺

H 300.00 ro 173.13 r75 153.95 r_.50 135.00 x .375 125.65 r_.31ZS 121.01 r_.2S 116.41 r_.187S 111.84 r .ヱ25 107.39 rZ 98.37 Lo' 300.00 .LD 400.00 Unit:mm Roughnessofwall Kmm BImm BZmm K/BZx103 Acrylresin 0 80.00 160.40 0

Sandpaper #ioo a.is 78.77 159.17 1,904 春60 0.30 78.18 158.57 3,838

KAveragemagnitudeofgrain

l.8測 定 用 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ

な お,案 内 羽 根 の そ う 入 は,二 次 流 れ を 防 ぐ こ と もそ の 目 的 の 一 っ と して い る た め に,二 次 流 れ が 発 生 し易 い と思 わ れ る 曲 が り 中 央 部 付 近 に 置 い て あ る. デ ィ フ ユ ー ザ の 壁 面 は,壁 面 粗 さ を3種 類 変 え た も の,す な わ ち,壁 面 が 滑 ら か な ア ク リル 樹 脂(K/B且=・0),サ ン ドペ ー パ#100(K/B,=1.904×10-3)お よ び#60(K/B,=3.838×10-3)を 壁 面 に 張 りつ け た 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ を 製 作 し,そ れ ぞ れ の 壁 面 粗 さ の もの に つ い て 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 お よ び そ う入 枚 数 を 変 化 さ せ,表1.1に 示 す33種 類 の 組 み 合 わ せ に つ い て 実 験 を 行 って い る. こ こで,Kは 砥 粒 の 平 均 大 き さ で,こ れ は サ ン ドペ ー パ の 砥 粒 の 大 き さ を マ イ ク ロ メ ー タ で 測 定 した もの で あ り,JISに 規 定 さ れ て い る,ふ る い 目 の 大 き さ と ほ とん ど 一 致 した 値 を 得 て い る. な お,Kを デ ィ フ ユ ー ザ 入 口¥/均 幅B1で 割 っ て 無 次 元 化 した 値K/BIを 壁 面 粗 さ係 数 と して い る. デ ィ フ ユ ー ザ の 入 口 平 均 流 速 万1は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 か ら上 流 の 直 管 部150 mmの 点 を 基 準 と し,す べ て の 実 験 に 対 して,速 度 を27m/sec±0 _{.5%と 一 定} に保 って い る.デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 速 度 分 布 は 図1.9に 示 す. 速 度 の 調 節 は,無 断 変 速 機 で 送 風 機 ⑫ の 回 転 数 を 変 え る こ と に よ って 行 い,回 転 数 は光 電 管 式 回 転 計 ⑪ に よ り測 定 して い る.な お,入 口 の 基 準 静 圧 万1は ⑦ の 位 置 で 壁 面 ま わ り に20個 の 静 圧 孔 を 設 け,そ の 平 均 値 を と って お り,流 量 な らび に入 口 流 速 は ピ トー 管 ⑧ に よ り求 め て い る. デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の 粗 さ を 変 え る場 合,デ ィ フ ユ ー ザ 壁 面 の み に サ ン ド ペ ー パ を 張 りつ け る と直 管 部 との 接 合 部 に段 が 生 じ る の で,こ れ を 避 け る た め に,デ ィ フ ユ ー ザ 上 流 の 直 管 部 の 入 口 基 準 静 圧 の 測 定 に 影 響 の で な い距 離 ま で 同 一 の サ ン ドペ ー パ ー を 張 って あ る. 測 定 用 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 両 壁 面 の 圧 力 分 布 を 求 め る た め の 測 定 一 一18一

点 は,入 口 直 管 部 を 含 め て 凹 壁 面 側33個,凸 壁 面 側23個 で あ る が,壁 面 に サ ン ドペ ー パ を 張 り つ け て い る た め に,そ れ ぞ れ1点 の み の 圧 力 測 定 で は 疑 わ しい と思 わ れ る の で,流 路 高 さ の 中 央 部 とそ の 上,下 そ れ ぞ れ10mmの 位 置 に も圧 力 測 定 孔 を あ け,こ れ らの3点 の 測 定 値 を も と に判 定 して い る. ま た,流 路 内 に そ う入 した 案 内 羽 根 の 圧 力 分 布 を 求 あ る た め に,羽 根 背 面 お よ び 腹 面 に φ0.5mmの 圧 力 測 定 孔 を 設 け,内 径0.6mmの ス テ ン レ ス 管,ビ ニ ル 管 を 経 て マ ノ メ ー タ に 導 い て い る. な お,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 流 れ の 状 態 を 三 次 元 的 に測 定 す る た あ に5孔 ア ロー ヘ ッ ド形 ピ トー 管 ⑩ を 用 い て い る. 表1.1実 験 の 組 み 合 わ せ 壁面 粗 さの種類 壁 面 粗 さ 係 数 K/Blx103 案 内 羽 根 そ う 入 位 置b/β1 0 a_Zs 0.50 0.75 o.zs 4.50 0.50 0.75 0.25 0.75 O,ユ25 O.1875 0.3125 0,375 アク リル樹脂 0 _{0 0 0 0} 0 O O O 0 0 0 サ ン ド#100 べ 一 パ#60 1,909 3.8311 0 0 0 0 0 0 O O O O O O O O 0 0 0 0 0 0 0 0 1.5実 験 結 果 お よ び 考 察 1.5.1壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 壁 面 お よ び 案 内 羽 根 腹,背 面 の 圧 力 分 布 を 図1.10か ら 図1.20に 示 す. 縦 軸 は,圧 力 係y'を,横 軸 は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 を 基 準 と して デ ィ フ ユ ー ザ の 凹,凸 壁 面 ま た は 案 内 羽 根 腹,背 面 に沿 って 測 っ た 距 離Zを そ れ ぞ れ の デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 ま で の 距 離Lで 割 っ て 無 次 元 化 した 値Z/.Lを と り,基 準 と した デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 よ り上 流 の 直 管 部 は負 の 値 で 示 して あ る. ま た,圧 力 回 復 率Cpaを 点 線 で 示 し,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 η も あ わ せ て 記 して あ る.な お,案 内 羽 根 面 の 圧 力 は す べ て 黒 印 と し,腹 面 は実 線,背 面 は 破 線 で 結 ん で あ る. 図1.10は,案 内 羽 根 を そ う入 しな い と き,図1.11お よ び 図1.12は,案 内 羽 一19一

根 をb/-BI=0.25お よ び0.75の 位 置 に そ れ ぞ れ1枚 ず っ そ う入 した と き の 圧 力 分 布 で あ り,壁 面 粗 さ 係 数 κ/.B、を 副 変 数 と して い る. 図1.10に お い て,凹 面 側 の 圧 力 は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 付 近 よ り1/L=0.2ま で 急 上 昇 し,そ の 後 は 曲 が り 中 央 部1/L=0.5付 近 ま で 徐 々 に 上 昇 を 続 け た あ と, 出 口 に 向 か っ て 減 少 し大 気 圧 に近 づ い て い る. これ に 対 して,凸 壁 面 側 の 圧 力 は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口付 近 で 急 に 下 降 し,Z/L= 0∼0.1付 近 で 最 小 値 を 示 し,そ の 後 上 昇 し,壁 面 粗 さ に よ る 差 異 は あ るが,1/L =o .36∼0.5付 近 か ら 出 口 ま で は ほ とん ど一 定 の 圧 力 と な って い る. 曲 が りの 内 側,す な わ ち,凸 面 側 の 最 低 圧 力 を 示 す 位 置 は,断 面 が 一 様 な90° 曲 管 の 理 論 計 算 な らび に 実 験 結 果 に よ れ ば,曲 が りの 中 央 部 で あ る の に 対 して, 曲 が りデ ィ フ ユ ー ザ で は 入 口 直 後 と な って い る. した が って,凹,凸 壁 面 の 圧 力 差 の 最 大 と な る の は,前 者 は 曲 が り の ほ ぼ 中 央 部 で あ る の に対 して,後 者 で は 入 口 付 近 と な って い る.こ の こ とか ら,曲 が り に よ る 二 次 流 れ は 前 者 で は 曲 が り 中 央 付 近 で,後 者 で は入 口 付 近 で 発 生 しや す い と 考 え られ る. な お,凸 面 側 で 圧 力 が 一 定 値 を 示 して い る部 分 は,は く離 が 激 し く,大 き な う ず が 発 生 して い る領 域 で あ り,壁 面 粗 さ の 大 き い もの ほ ど は く離 領 域 が 大 き い こ とが わ か る. ま た,壁 面 粗 さ の 変 化 に よ り圧 力 の 一 定 値 を 示 す 位 置 が 異 な り, 壁 面 粗 さ 係 数 の 大 き いK/B,e 3.838×10-sで は,1/L=0,38付 近 か ら一 定 値 を 示 す の に 対 して, 壁 面 の 滑 ら か なK/B里=0に お い て は,1/L=0.5付 近 か ら一 定 値 を 示 して い る.こ の こ と か ら,壁 面 粗 さ の 大 き い も の ほ ど は く離 開 始 位 置 が 上 流 側 に あ る こ と が わ か る. 圧 力 回 復 率(-r.p。の 値 は,壁 面 粗 図1.10壁 面 圧 力 分 布 一20一

さ の 大 き い も の ほ ど低 い 値 を 示 して い る. これ は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 流 速 が27m/sと 一 定 で あ る に もか か わ らず,入 口 基 準 静 圧Piが 高 くな っ て い る た め で,デ ィ フ ユ ー ザ の 抵 抗 損 失 が 大 き い こ と を 意 味 して い る.こ れ らの こ とか ら,壁 面 が 滑 らか な もの ほ ど デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 が 高 くな る こ とが わ か る. 図1.11は,案 内 羽 根 をb/」Bi=0.25の 位 置 に そ う入 した 場 合 で あ り,凸 面 側 の 圧 力 分 布 は,図1.10の 案 内 羽 根 が な い もの と比 較 して,壁 面 の 粗 さ の 変 化 に よ る 影 響 は,粗 さ 係 数K/B,が1.904×10-3の もの と3.838×10-3と の 差 は 少 な く,圧 力 分 布 が 一 定 値 を 示 す 領 域 は,出 口 に お い て もわ ず か に 見 られ る程 度 で あ る.ま た,凹 面 側 の 圧 力 も デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 よ り比 較 的 ゆ る や か に 上 昇 し,1/L =0 _{.7付 近 で 最 高 値 に 達 し,そ の 後,徐 々 に 大 気 圧 に 近 づ い て い る.} した が って,圧 力 回 復 も良 好 で,Cpaも 高 い 値 を 示 して い る. これ は,案 内 羽 根 を 凸 面 側 に 近 い 位 置 に そ う入 した こ と に よ り 凹 壁 面 に偏 る の を 妨 げ る こ と に な り,凸 壁 面 に 沿 う流 れ の 境 界 層 の 発 達,は く離 を 減 少 さ せ る 効 果 が 現 れ た もの と考 え られ る. っ ぎ に,案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 で あ る が,入 口 に お い て 腹 面 で は 急 上 昇 し,背 面 で は 急 低 下 して い る. これ は 以 下 の す べ て の 案 内 羽 根 の 圧 力 分 布 に も見 られ る もの で あ る が,図1,8の 測 定 用 曲 が り デ ィ フ ユ ー ザ か ら もわ か る よ う に,案 内 羽 根 前 縁 が デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 よ り40mm下 流 の 位 置 に あ り,そ の 間 の 流 れ が 凹,凸 壁 面 に沿 う流 れ と は な らず,大 き い 迎 え 角 で 案 内 羽 根 に流 入 した た め で あ る. 腹 面 の 圧 力 は,案 内 羽 根 後 縁 付 図1.11壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 一一21-一

近 で わ ず か の 低 下 が 見 られ る 程 度 で あ り,こ の こ とか ら も こ の 付 近 で 凸 壁 面 の は く離 は そ れ ほ ど大 き く な い と考 え られ る.し た が って,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 は 案 内 羽 根 の な い も の と比 較 して そ れ ぞ れ 高 い 値 を 示 して い る.と く に,壁 面 粗 さ の 大 き い も の ほ ど効 率 の 増 加 は 高 くな って い る.こ れ らの こ とか らデ ィ フ ユ ー ザ 流 路 内 に 案 内 羽 根 を そ う入 す る こ と の 効 果 が 大 き い こ とが わ か る. 図1.12は,案 内 羽 根 をb/B,=0.75の 位 置 に そ う入 した 場 合 で,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 で の 圧 力 回 復 は 図1.11のb/B,=0.25の 位 置 に そ う入 した 場 合 と比 較 し て 良 好 で は な く,凸 壁 面 の 下 流 で は く離 が 生 じて い る と考 え て い る圧 カ ー 定 の 領 域 が 大 き く,と く に,壁 面 粗 さ の 大 き いK/」B1=3.838×10-3で は 著 しい こ と が わ か る.こ れ は,案 内 羽 根 腹 面 の 圧 力 が1/L=0.5付 近 か ら出 口 ま で 急 に 低 下 し て い る こ とか ら も理 解 す る こ とが で き る. す な わ ち,凸 壁 面 で は く離 が 激 し く,大 き な う ず が 発 生 す る こ と に よ って 流 れ が 案 内 羽 根 腹 面 に 偏 っ た た め で あ る.し か し,案 内 羽 根 の な い 図1.10と 比 較 す る と,圧 力 回 復 は い くぶ ん 改 善 さ れ,効 率 も良 くな って い る こ とが わ か る. な お,図1.11と 図1.12の 案 内 羽 根 面 圧 力 分 布 を 比 較 し た と き,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 の 良 好 な 図1.11の 羽 根 そ う 入 位 置b/B1=0.25の 場 合 は, 案 内 羽 根 腹 面 の 圧 力 と凸 壁 面 の 圧 力 との 差 が 小 さ い く な っ て い る の に 対 して,効 率 の 悪 い 図1.12の b/B,=0.75場 合 は 圧 力 差 が 大 き くな って い る. こ れ は,図1.11の 場 合,案 内 羽 根 を 凸 壁 面 近 く に そ う入 す る こ と に よ り,凸 壁 面 で の は く離 を お さ え る こ とが で き,案 内 羽 根 と 凸 壁 面 との 間 の 流 れ が 比 較 的 一 様 に な り,両 者 の 圧 力 差 が 減 少 し た と 考 え られ る. 図1.12壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 22

図1.13は,壁 面 が 滑 らか なK/、BI=0の 場 合 で,案 内 羽 根 の そ う 入 位 置 を b/jBl=0.25,0.50お よ び0.75に つ い て の 壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 で あ る. 両 壁 面 の 圧 力 分 布 を み る と,案 内 羽 根 がb/iO.75の 位 置 に あ る 場 合 は, b/B,=0.25,0.50の 位 置 の もの よ り圧 力 が 低 く,し た が っ て,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 に お け る 圧 力 係 数Cpお よ び 圧 力 回 復Cpaも 低 い 値 を 示 して い る. Cpaが 低 い 値 を 示 す と い う こ と は,デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 の 流 速 が27m/sと 一 定 で あ る に もか か わ らず,入 口 基 準 静 圧P、 が 高 く な って い る た め で,デ ィ フ ユ ー ザ の 抵 抗 損 失 が 大 き い こ とを 意 味 して い る. ま た,1/L=0.8付 近 か ら 出 ロ ま で の 凸 壁 面 の 圧 力 の 値 は ほ と ん ど 一 定 値 を 示 して い る.こ れ は,凸 壁 面 で 流 れ が は く離 して い る た め で,こ れ らの 理 由 に よ り デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 η は,案 内 羽 根 の そ う入 位 置b/Bl=0.75の 場 合 が 低 く, b/B,=0.25の 位 置 が 最 も良 好 で あ る とい う結 果 を 得 て い る. つ ぎ に,案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 で あ る が,入 口 に お い て い ず れ の 案 内 羽 根 そ う 入 位 置 の 場 合 も腹 面 で は 急 上 昇 し,背 面 で は 急 低 下 して い る. これ は 先 に 述 べ た 理 由 か ら もわ か る よ うに,案 内 羽 根 前 縁 を デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 よ り40mm下 流 に 置 い た 結 果,流 体 が 大 き い迎 え 角 で 案 内 羽 根 に 流 入 し た た め で あ る. な お,b/B,=0.50,0.75の 位& 0_5 置 に そ う入 した もの は,腹 面 の1/五 =0 _{.6付 近 よ り圧 力 が 低 下 して い} る.こ れ は,凸 壁 面 で の 流 れ の は く 離 に よ っ て 案 内 羽 根 腹 面 に流 れ が 偏 り,そ の 結 果 流 速 が 増 大 し圧 力 が 低 下 し た も の と考 え られ る. これ に 比 べ て,b/sO。25の 位 置 の 場 合 の 腹 面 で の 圧 力 は,案 内 羽 根 後 縁 付 近 で わ ず か な 低 下 が 見 られ る程 度 で あ る. 0 ‐o _.s 0 一 R°ughness K/$1x103・tt-t一 越 ゜  T 8」・π な: LZ扉 ・lCpa.o-一 〆蹴 實 ゜nvex 」 一 の ( ・ 一 り

1

一_.2 4〃 鞘'4° 協.4 1.6i.81.i1°Z/五 ll、b/BZO.250.500.75' 1 Diffuser lrlwalユsつ 一 一△ 一{ト 冒r

堀 離F'¥:し

暑 一

ゴ η 佳)6・.447.736.・ BackCpa.504.368.276 } P 「 「 「 図1.13壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 一23一

図1.14お よ び 図1.15は,壁 面 粗 さ 係 数 を そ れ ぞ れK/」B1=0お よ び1.904× 10-3の 一 定 に し,案 内 羽 根 の そ う 入 枚 数 を2枚 組 み 合 わ せ た と き の 壁 面 圧 力 分 布 で あ り,そ う 入 位 置b/B1=0.25・0.50,0.25・0.75,0.50・0.75お よ び b/B,=0の 案 内 羽 根 な し を 副 変 数 と し て い る. 図1.14の 滑 ら か な 壁 面 に お い て,案 内 羽 根 各 そ う 入 位 置 の 圧 力 回 復 は,凹, 凸 両 壁 面 と も 案 内 羽 根 な し の 場 合 よ り も 良 好 と な っ て い る. ま た,そ う 入 位 置b/B,・=0。25・0.50お よ び0.25・0.75の 圧 力 分 布 は,凹, 凸 両 壁 面 に お い て ほ と ん ど 差 異 が な く,両 者 と も デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 凸 壁 面 に お い て,わ ず か に は く 離 領 域 と 考 え られ る 圧 カ ー 定 値 が 見 られ る 程 度 で あ る. 案 内 羽 根 そ う 入 位 置 がb/B,= 0.50・0 .75とb/B,=0.75の み の 場 合 と を 比 較 す る と,前 者 の 凸 壁 面 の 圧 力 分 布 の 方 が か な り 良 好 と な り,圧 カ ー 定 値 を 示 す 位 置 も 1/L=0。8付 近 か ら 出 口 ま で と な って い る. ま た,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 も改 善 され て 良 好 とな って い る こ とが わ か る. 図1.15の 壁 面 粗 さ 係 数 κ/B, =1 _{、904×10-3に お け る,圧 力 分} 布 は 凹,凸 両 壁 面 の 出 口 付 近 に 多 少 の 違 い は あ るが 図1.14の 滑 ら か な 壁 面K/Bl=0の 場 合 と 同 様 の 傾 向 を 示 して い る. しか し,圧 力 回 復C'paは い ず れ の 案 内 羽 根 の 組 み 合 わ せ に お い 0_5 0 一〇_.5 Roughness iilConcave K/BヱXIQ3 E 0 一

tZli

8

1

口 一 _CpQ 一 巳

ll縣

誌詳

0 eμ 一・40・2。4●6.81・OZ/L 一 一_り2

1

■ わ/βヱ Diffuser n(O) 一 d 一 walls 一 0.25.0.50-g-58.1 1 _{0.25・0.75-△-56.7} 胃 2 _{0.50・0.75-→:ト47.9} 〇 十23.4 図1.14壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 0.5 0 一〇 .5 Roughness K/Blx103 1,904 1 】 i Concave  _{__} 8 0 Cpa マ l e ワ ▼ {}1 }・{

糾 響鵯

』 _' _.4_ _.20 Y .21.4.6.8

1

1.°Z/L 53.8 53.1 39.8 工3.O b/BIDiffuse「n(紛 walls O.25・O.50-○- 0.25・G.75-△-O.50・0.75一 ロ ー 〇 一 ▽   図1.15壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 一24一

て も低 い 値 を 示 して い る. 図1.16は,壁 面 粗 さ 係 数K/.B董=1.904×10-3の 一 定 で,案 内 羽 根 の そ う入 位 置 お よ び そ う入 枚 数 を 変 え た も の を 副 変 数 と した 凹,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 で あ る. 当 然 の こ と な が ら,凸 壁 面 の は く離 領 域 の 大 き い も の ほ ど,ま た,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 に お け る 圧 力 お よ び 圧 力 回 復 率 傷 。が 低 い 値 を 示 す もの,す な わ ち,案 内 羽 根 の な い(b/B,=0)も の や 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 がb/B,=0.75の もの は,圧 力 分 布 が 一 定 値 を 示 す 領 域 が 大 き く,し た が っ て,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 も低 下 して い る.ま た,凹 壁 面 の 圧 力 分 布 の 形 状 は,案 内 羽 根 の な い も の を 除 い て は,い ず れ も同 じ傾 向 を 示 し,そ の 最 大 圧 力 を 示 す 位 置 は ほ ぼz/L=0.7付 近 と な っ て い る. 案 内 羽 根 の そ う入 位 置 に つ い て は,凸 壁 面 に 近 いb/jB1=0.25の 位 置 に案 内 羽 根 を そ う入 した 場 合 の デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 が 最 も 良 好 で,b/B,=0.50,0.75と 順 次 悪 くな って い る.ま た,枚 数 の 影 響 に つ い て は,案 内 羽 根 が な い 場 合 が 最 も悪 い 効 率 を 示 す が,1枚 と 2枚 と で は 大 き な 差 は 見 ら れ な い.つ ま り,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 は 案 内 羽 根 の 枚 数 よ り も そ う入 位 置 に 大 き く影 響 さ れ る こ とが わ か る. 図1.17は,壁 面 が 滑 ら か な K/jBl=0の 場 合 で,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 の 比 較 的 高 い 値 を 示 した b/B1=0.25に 近 いb/B, =0 _,125,0,1875, 図1.16壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 0.3125お よ 図1.17壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 一25一

び0.375(図1.8参 照)の 位 置 に 案 内 羽 根 を そ う 入 し た と き の 両 壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 で あ る. 案 内 羽 根 そ う 入 位 置 が う/B,=0.125,0.1875とb/BI=0.3125,0.375は, そ れ ぞ れ 接 近 し て い る た あ,案 内 羽 根 腹 面 の 圧 力 分 布 を 除 い て ほ と ん ど 差 異 は 認 あ ら れ な い が,b/.B1"0.25の 位 置 よ り 少 し 凸 壁 面 側 に 寄 っ たb/B,=0 _.1875の 位 置 に 置 い た も の が 圧 力 回 復 も 良 好 で,最 も 高 い デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 を 示 し,し た が っ て,Cpaも 高 く な っ て い る. さ ら に,凸 壁 面 に 近 いb/B,=0.125の 位 置 に 羽 根 を そ う 入 し た 場 合 は,案 内 羽 根 背 面 の 後 縁 付 近 の 圧 力 が わ ず か な が ら一 定 値 を 示 して い る こ と か ら う ず 領 域 が あ る と 考 え ら れ,そ の 結 果,効 率 が 低 下 し て い る. ま た,わ/B1-0.3125,0.375の 位 置 に お け る 案 内 羽 根 腹 面 の 圧 力 はb/B且= 0.125,0.1875の 位 置 の も の よ り 高 く,後 縁 付 近 で 急 に 低 下 し て い る.こ れ は, b/B,=0.125,0.1875と 比 較 して 凸 壁 面 の1/L=0.7付 近 よ り 下 流 で の は く 離 が 大 き い た め で,効 率 も 低 く な っ て い る. 図1.18,図1.19は,壁 面 粗 さ 係 数 が そ れ ぞ れK/B,=1.904×1n-3と3.838× 10-3の 場 合 で,案 内 羽 根 そ う 入 位 置 は,前 の 図1.17と 同 様,b/B1=0.125, 0.1875,0.3125お よ び0。375の と き の 圧 力 分 布 で あ る. 図1.18,図1.19の 圧 力 分 布 を 比 較 す る と,壁 面 粗 さ が 粗 く な れ ば な る ほ ど 壁 面 の 圧 力 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 が 低 い 値 を 示 して い る。 図1.19の 壁 面 粗 さ 係 数K/B, =3 _{.838×10-3の 場 合,案 内 羽} 根 そ う入 位 置 が 凸 壁 面 に最 も近 い b/B,=0.125の 位 置 の 腹 面 お よ び 背 面 の 圧 力 は,他 の そ う 入 位 置 の も の と比 べ て か な り低 い 値 を 示 して い る, と くに,腹 面 で の 圧 力 の 上 昇 が 見 ら れ ず,凸 壁 面 の 圧 力 分 布 に 近 い 値 を 示 し, o.s 0 一〇_.s 一1 .0 Roughness x/s1Xio3 1,904 F'zontIC・ncave 一 ■ 一 「 一 ■ 馬 一

議 諜翫

議 瓢 誰

一_.z 一 .4-0'.4.6.8i.aZ/L , ■ 璽 ▼

む

▼ll BXDiffu・ern(毯)Cpa walls (guidevane) F_S.B.S. 0・125-O-一 〇 ・-51.6.340 0.1875-△ 一 一幽 ド55.7.408 0.3ユ25{ト ー昌 。-49.5.372 0.375-▽ 一 一▼  -49.6.361 一 マ 1 墨 1/L=0.5付 近 か 図1.18壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 一一26-一

ら出 口 ま で ほ と ん ど 同 じ値 で,凸 面 側 とb/iO.125の 位 置 と の 間 の 流 路 に お い て うず や は く離 が 激 し く起 こ っ て い る と考 え られ, した が って,デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 も 他 の 位 置 の も の と比 べ て か な り低 くな って い る. 図1.20は,い ず れ の 粗 さ を 持 っ デ ィ フ ユ ー ザ に お い て も効 率 が 最 も良 好 で あ ったb/BI=0.1875 の 位 置 に 案 内 羽 根 を そ う入 し,壁 面 粗 さ を 滑 らか な もの を 含 め て3 種 類 変 え た 場 合 の 圧 力 分 布 で あ る. 案 内 羽 根 の そ う 入 位 置 は す べ て 同 じで あ る か ら,い ず れ の 圧 力 分 布 の 形 状 も傾 向 は よ く一 致 して い る.し か し,サ ン ドペ ー パ を 張 り っ け たK/B,=1 _{.904×10-3お よ} び3.838×10-3の も の は,壁 面 が 滑 らか なK/B,=0に 比 べ て 両 壁 面 お よ び 案 内 羽 根 腹,背 面 の 圧 力 が す べ て 低 くな って い る.こ れ は,粗 さ 係 数 の 大 き い も の ほ ど デ ィ フ ユ ー ザ 入 口 基 準 静 圧 が 高 く な る た め で あ る. ま た, とが 推 察 で き る 、 した が って, も良 く, 0_5 0 一〇_5 一1_0 Roughness l FrontIConcave K/BヱX103 巳 3.a3a 一 「レ 一 _⊥1 Cpa

r》

i幽 一一n-:g:. 一 ,

1

匿

1 '二幽 ・〇 一 ' L 1駈' i_.: 一●P, 'ぴrI Convex i 嗣 一u幽 」 一 .4 - _.2 ゜ ・2瓶 _5 .8 i.oZ/L ' _" 「 'f ノ ' 帥 一 署 山' b/BIDiffusern(紛Cga walls 回 一 一 葺

譜

(guidevane) r・.s.B.s_ 0.125-〈 ト つ ・-31.1・228 0●1875-△-1∩ 「-50.4.377 胃 4'1 0.3125《}台 一43.4.334 BackO.375一 ベ フL一撃 一42.2。317 図1.19壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 図1.20壁 面 お よ び 案 内 羽 根 面 の 圧 力 分 布 凸 壁 面 出 口 の 圧 力 分 布 か ら,粗 さの 大 き い もの ほ ど う ず 領 域 が 大 き い こ デ ィ フ ユ ー ザ 効 率 ηは,滑 らか な 壁 面 の 場 合 が 最 粗 くな る ほ ど低 下 して い る. 一 一27一

1.5.2等 速 度 線 図 お よ び 旋 回 速 度 線 図 (1)等 速 度 線 図 図1.21(a),(b),(c),図1.22(a),(b)お よ び 図1.23(a),(b),(c),(d)は,デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 に お け る 速 度Uz/U且 の 等 速 度 線 図 を 示 し た も の で あ る. 図 の ▽ 印 は,そ う 入 し た 案 内 羽 根 を 対 数 ら線 の 形 状 に 沿 う て デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 ま で 延 長 し た と き の 位 置 を 示 す. こ れ ら は,案 内 羽 根 そ う 入 の 効 果 を デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 の 等 速 度 線 図 に よ っ て 判 断 し よ う と す る も の で あ る. 図1.21は,壁 面 粗 さ 係 数K/wOの も の に つ い て,案 内 羽 根 をb/B,=0.25 の 位 置 に そ う 入 し た も の を 図(a),b/B,=0.75の 位 置 に そ う 入 し た も の を 図(b), 案 内 羽 根 を そ う 入 し な いb/B,=0の 場 合 を 図(c)に 示 し て あ る. Roughnessofwa11 x/Blxlo3=o Positionofguide vaneb/Bl o.zs 0.75 0 η(毫) 60.0 36.1 23.4 図1.21等 速 度 線 図 2$一 一

図(a),(b),(c)と も い ず れ の デ ィ フ ユ ー ザ の 凸 壁 面 付 近 に お い て も速 度 が 負 に な って お り,逆 流,う ず が 生 じて い る こ と が わ か る. 図(c)の 場 合 は,砺/万1 =0 _{.1以 下 の 領 域 が 凸 壁} 面 か ら デ ィ フ ユ ー ザ 出 口 流 路 幅 の1/3程 度 を 占 め,そ の 他 の 案 内 羽 根 を そ う入 し た 場 合 で は約1/4程 度 で あ る. 案 内 羽 根 な しの 場 合 は, は く離 領 域 が 大 き く,し た が って,凹 壁 面 側 に 流 れ が 偏 り,そ の 流 速 も大 き くな っ て い る こ と が わ か る. × ω ﹀ 唱 O U

耀

 蝋

 終

A)

4

耐

蝶

漁

O > 応 O 唱 O U 図1.22等 速 度 線 図 ま た,各 案 内 羽 根 出 口 近 傍 の 速 度 が 大 き く な って い るが,こ れ は 凸 壁 面 で の 逆 流 や うず に よ っ て 流 れ が 案 内 羽 根 腹 面 に 偏 っ た た め に 生 じた もの で あ る. 図1.22(a),(b)は,壁 面 粗 さ 係 数K/.B董=1.904×10-3の も の に つ い て,案 内 羽 根 をb/iO.25と0.50の 位 置 に2枚 そ う入 した 場 合 の 等 速 度 線 図 を 図(a), 案 内 羽 根 を そ う入 しな い 場 合 を 図(b)に 示 して あ る. 図(a),(b)と も 凸 壁 面 付 近 の 速 度 が 負 に な って お り,逆 流,う ず が 生 じて い る. しか し,図(b)の 方 は は く離 領 域 が 大 き く,し た が っ て,流 れ が 凹 壁 面 側 に 偏 り, そ の 流 速 も大 き く な っ て い る の に 対 して,図(a)の 方 は 凸 壁 面 近 傍 を 除 い て 大 き な 速 度 差 は 見 られ な い. こ の こ とか ら も案 内 羽 根 を そ う入 す る こ と に よ っ て,デ ィ フ ユ ー ザ 内 の 流 れ が よ り改 善 さ れ る こ と が わ か る. 図1.23(a),(b),(c)お よ び(d)は 壁 面 粗 さが 滑 らか な もの に っ い て,案 内 羽 一29-一

根 を そ れ ぞ れb/B且=0.125,0.1875,0.3125お よ び0.375に そ う 入 し た 場 合 の 等 速 度 線 図 を 示 し た も の で あ る. い ず れ の 案 内 羽 根 そ う入 位 置 に お い て も,凸 壁 面 の 近 傍 で 逆 流 域 が 生 じて い る が,b/B,=0.375の そ う 入 位 置 に お け る も の が そ の 領 域 が 大 き い こ と が わ か る. ま た,こ れ に と もな っ て 流 れ が 案 内 羽 根 腹 面 に 偏 り,し た が って,圧 力 が 低 下 す る こ と は 圧 力 分 布 か ら も理 解 で き る. な お,案 内 羽 根 の 背 面 に 沿 う流 れ の 境 界 層 の 発 達 に よ っ て,そ れ ぞ れ の デ ィ フ ユ ー ザ 中 央 部 付 近 に や や 遅 い 流 れ が 現 れ て い る. さ ら に,b/B,eO.125, 0.1875の 場 合 は,デ ィ フ ユ ー ザ 中 央 部 か ら 凹 壁 面 ま で 広 い 領 域 に わ た って 平 坦 な 等 速 度 分 布 を 示 して い る の に 対 し,b/、B1=0.3125, 0.375の 場 合 は平 坦 な 等 速 度 分 布 を 示 す 領 域 は そ れ ほ ど広 くな い. ① ﹀ 彪 O 蝦 O O Q

ワ

0

郵

レ 【 トon f`

・

・騨

F

匿

&

{

0 Roughnessofwall K/Blx103eO Positionofguide vaneb/BI o.zas Q.1875 0.3125 0,375 n〔 亀) 58.7 61.3 57.4 56.9 図1.23等 速 度 線 図 一30一

(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. vv

†

'＼ 一 ・・

圭

＼、.画 一,い ＼ 、♂一.,,・ タ に   し L＼

縞___-1壬:±±三:塵

注

雲=二

゜U

・ト

:こ:こ

・・1

コ:、 ぐ__..

1__

:〔:.._ 04vyO _.2/v1 (a)b/β1-0・25°0・50

警二瓢

山_＼

＼

∵

1翁 こ㌶1

脇=こ'-8

i° °1/  … の7

舜 こ 二て3:.,_

雲 三 三滋 建

tb)b/BI=o 図1.24旋 回 速 度 線 図 一31一

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 f -A一 K/Blx1Q3 00 Q2.904 口3,838 111 一 1て 「 i △や

i

一

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