二次元ディフューザの吸込みによる性能改善(第1報): University of the Ryukyus Repository

Author(s)

山里, 栄昭

Citation

琉球大学理工学部紀要. 工学篇 = Bulletin of Science &

Engineering Division, University of the Ryukyus.

Engineering(2): 1-12

Issue Date

1969-04

URL

http://hdl.handle.net/20.500.12000/23808

二 次 元 デ ィ フュ ー ザ の 吸 込 み に

ょ る 性 能 改 善 (

第

1

報)

千

山

里

栄

昭

Performance ofW ide･Angle Two-DimensionalDiffusers with Area Suction

Eisho

Y

AMAZATO

Two･dimensional diffusers with an area ratioof4:1,aspectratio 4:1, and divergence anglesof30oand60 0 were testedwith areasuction toevaluate the performancecharacteristics.Forcomparativepurposes,alootwo･dimensionaldiffuser witllOutareaSuctionwasalsotested.

Thetest, conducted with various extents of porous area andwithsuction quantities, indicated thattlleflow separation wasnotexactly eliminated by the useofareasuction forboth30oand60 0 diffusers.

However, the area suction was effectivetoimprovethediffuserperformance, andlarger effect of suction wasobserbedforsmaller extentsofporousareanear thediffuserentrance.

1

緒 言 流体輸送 ,また は流体機械 の流路 においては, しば しば流 れ の速度 エネル ギ を圧力 をェ ネ ル ギに変換 す るディ フ ューザ を含 む問題 に直面す る.ディ フューザの性 能 に もっ とも支 配的 な因子 は広 が り角 と面積 比 で あ る.二 次元 ディ フ ューザのェネル ギ損失 は与 え られ た入 口状 1),2) 態 に対 して広 が り角70,面積 比4:1附近 が もっ ともよい とされ てい る. しか しか よ うな広 が り角 の小 さな もので は面積 比 が大 き くな る とデイ フユ-ザ壁面 が長 くな り,空 間 の限 られ た場合 な どでは時 として不都合 になるこ とがあ る. か よ うな場 合 には広 が り角 の大 きなデ ィ フューザが用 い られ る. しか し 実 際 には この よ うな広 が り角 の大 きなディ フ ューザ で は,流れ の損失 は大 き くな る とともには く離 を伴 った変動 の大 きい流れ となる. 吸込 ス リッ トを通 して境界層 の部 分 を吸込 む こ とに よ って,ディ フューザ内 のは く離 を防 3) ぐ方法 は, Ackeretの円す い形 ディ フューザの実験 に よ っては じめて な され ,そ の効果 の あ 4) 5) 6) るこ とが示 されてい る. またそ の後 Gratzer, Holzhauser, 古屋 らに よ って 円す い形 ディ フューザの吹込 み に よる実験 が な され ,性 能 改善 につい てかな りの成果 をあげてい る. しか し長方形断面 ディ フューザの うち特 に広 が り角 の大 きな ものの 性 能 に関 してのデータ は少 な く,吸込 み に よる性 能改善 に関 しての研 究 も最近行 なわれ てい る古屋 ,生井 らの もの i 受付 :1968年10月31日 普琉球大学理工学部機械 工学科

7),8) を除 い てはほ とん ど見 当 らない .古屋 らは長方形断面 ディ フューザで,入 口直後 ス リッ トよ り吸込 み を行 ない ,広 が り角300- 900までのディ フ ューザではかな りの性 能改善 を図 るこ 9ノ とがで き る と報 告 してい る. また生井 らは側 壁 の長 さを一定 に し,広 が り角 が00-520 の範 囲 に変 え られ る長方形断 面 ディ フューザ を用 い て種 々 の多孔壁 よ りなる側壁 よ り境界層 吸込 み を行 ない ,吸込 み の状 態 ,攻込 量 を変 えた場 合 ,ディ フ ューザ性 能 が どの よ うに変 る か を実験 的 に調 べ てい る. 本研究 は広 が り角300と600の長方形断面 ディ フューザで, 入 口 よ り巾130JtAlの側壁 に多 孔壁 を設 けて ,一様 な吸込 み を行 ない ,入 口か らの吸込面 の 巾お よび吸込量 を変 えてそれ ら の圧 力回復率 またはェ ネル ギ損失係数 にお よぼす影響 を調 べ , もっ とも有効 な吸込面 の巾お よび各吸込面 におけ る最適 吸込量 な どにつ いて検 討 した ものであ る. また損失 の比較 的小 さい広 が り角10 0 の吸込 み な しのディ フ ューザの実験 を行 ない,吸込 を もつ300お よび 600 の もの と比較 を した. 把 号 A :ダクトの断面済 b:ディフューザ巾

L:

ディフューザ側壁の長さ p :静圧 Q:吸込み前の主流量 q!吸込み流量

U:

境界層外の速度 u;境界層内の速度 V ;吸込室内の吸込み速度 缶 :ダクト断面内平均速度 x;デイフユ-ザ入口より後流-とる距離 y;ダクト壁面よりの垂直距離 20:ディフューザ広が り角 cp:圧力係数,p-pl/

‡叫

でp:圧力回復効率 ;:エネルギ損失係数 P:空気の密度 添字1,2,Sはそれぞれディフューザ入口断面,圧力回復終 りの断面,攻込み室内の状態を示す.

2.

圧 力回復効率 お よび規失係数 一般 に圧力回復 効率 はディ フ ューザ内で得 られ る静圧 の上 昇 とエネル ギ損失 がない場合 の 理想 的 な静 圧上 昇 との比 を も って表 わ され る . ワp-△ p (実原 )/ △ P (理想 )･････- -･･(1) い ま,各断面 内 におい て圧力 ,速度 の不 平均 を無視 して断面 内の平均 値 を とれば ,攻込 み な しのディ フ ューザの効率 は ,

二次元ディフューザの吸込みによる性能改善

ヮ

｡

-p

2

-p

l

/ (

与p

d

2

1

-

与

p

n

Z

)

となる. これ はディ フ ューザ内 の静 圧 の上 昇 とそれ に伴 な う動圧 の減少 の割合 を示 した もの であ る. 吸込 のあ る場合 は ,吸込 み ポ ンプ動力 が これ に加算 され なけれ ば な らない .吸込 みポ ンプ系 を含 むディ フューザ内でのエ ネル ギ平衡式 を求 め る と次 の よ うになる.

Q

(

与 pd行 p

l

)-

(Q

- q

)

(

与 pd

Z

･p2

)

.

q

(

与

p

v

2

9

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I

(

･

Q与

p

(

5

1- d

;

)

2

ここでエ ネルギ損失係 数 こは全損失動 力 と吸込 み な しの急拡 大損失動 力 との比 を用 い て表 わ した. また 白墨は吸込 み のない ときの回復 点 におけ る速度 で あ る.吸込 み室 の動圧 は静圧 に比べ て小 さいのでそれ を無視 し,かつ エネル ギ損失 の ない場合 の理想的 な静 圧 の上 昇 を求 める と,(3)式 よ り, p 2

-p

l

-

(

与pn21

-

与 puり

+

昔 (p2-ps

･

与 pd

2

2 ) となる. 従 って(1)式 よ り圧力回復 率 は次 の よ うにな る.

恥-p

2

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l

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(

(

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与p

B

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+

昔(p

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ト

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-

-

･

･

･

･

･

･

(

4

,

ディ フ ューザ入 口 と回復 点 にお ける連続 の関係 を用 い る と,

u

l

･

Al

-Q

,

u

2

･

A2

-Q-q

よ り

u

2

/u

l

-

(

1

-q

/

Q)

(

Al

/

A2

) となるか ら(4)式 は次 の よ うに なる. 7p-

p

2

-p

l

/(

与

叫

1

-(11号)

2

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2

ト

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p

2

1p

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･

i

p

B

g

)

)

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-

-(

5

'

ェネル ギ損失係 ;は(3)式 と連 続 の関係式 よ り次 の よ うに表 わ され る.

を

p

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2

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-

(

1

一

昔)

2

(

票)

2

ト音(

p

2

-

p

B

･

与摘 )

-(p

2

-p

l

)

与珂 (1

一

票)

2

りpと この関係 は(5),(6)式 よ

り(

p

2

-p

l

)

を消去 す るこ とに よって次 の式 で与 え られ る.

で

p

-1

-こ

(-‡

頼

( 1

一

票

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2

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2

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-

p

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与pa

2

2

)

)

i

pa

i

(1

-

蓋)

2

なお,吸込 みの ない場合 は (7), (8)式 で

q-

Oとすれ ばそれ ぞれ次 の よ うな簡 単 な式 にな る .

ワ

p

-1

-

(

(

1

-奈 ) (

1

･票 ) (9)

(-

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3.

実 験装置 および実験方法

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/ (ディフューザ28-30') !.l

Fig.1.Schematicview oftestapparatus

図

1

は実験装置 の概略 を示 した もので ,下流 にあ る シロッ コファ ンに よって主流 を吸込 ん で大気 -排 出す る よ うにな ってい る. ディ フ ューザ を含 む長方形断 面 ダ ク トは,上流 に巾 60耕 ,長 さ600脚 の助 走 区間 ,次 いで与 え られ た 広 が り角 をもつ ディ フューザ,そ の後 に巾 240# ,長 さ2,800zmの下流 ダ ク トよ り成 ってい る･ディ フューザお よびダ ク トの左右 下面 は デ コラ板 ,上流 はアク リル の透 明 な板 を用 いて内部 の流れ の観 察 ができ るよ うに してあ る･ 実験 に用 いたディ フューザは面積 比4 :1,アスペ ク ト比4 :1で広 が り角100･30〇･600 の もので あ る. 図2は これ らディ フ ューザの詳細 を示 した もので ,側壁 の 巾130hZn･の部分 が金網 (120メッ シ ュ) を張 りつ めた吸込 面 にな ってい る. 実験 はディ フ ューザ入 口平均 速度 を一定 に し.入 口か らの吸込面 の 巾お よび吸込量 を変化 させ て行 な った. デイ スユーザ入 口主流量 は上 流135mEnEの ところの助走 区間内 に と りつ け た ピ トー管 の21 ラバ ース に よる速度分布 よ り求 めた ものであ る. また吸込 量 も同 じ く吸込 管 内 の速度 分布 よ り求 めてあ る. 吸込 畳 の調 節 は吸込 ポ ンプに接 続 され たス ライダ ックス お よび吸込管 に取 り付 けたバル ブに よ って な され た . 静圧 はディ フ ューザ を含 むダ ク トの上 下平行面 の 中心線上 にそれ ぞれ44個 の静圧 タ ップ を つ けて ,それ らを多管 マ ノメータで測定 した .

二次元ディフューザの吸込みによる性能改善

(C)

4.

実験結果 と考察

4,1

静 圧分布 図3は広 が り角100,300,600のディ フューザ につ い て,吸込 み のない場合 の静圧分布 を 示 した もので あ る. 広 が り角100 のディ フ ューザでは出 口附近 でほぼ圧力回復 がなされ て い るが, 広 が り角300,600のディ フューザでは出 口部分 では ほ とん ど静圧 の上 昇 がみ ら れ ず ,下流 ダ ク ト内 では じめて圧力 の回復 が な され てい る. す なわ ち,ディ フューザ後方 Ⅹ/b0-10 附近 か ら始 めて圧 力 の上 昇 がみ られ る. この こ とは 広 が り角 の 大 きなディ フ ュ ーザ内 の流れ で は入 口か らⅩ/b｡- 10まで は両壁面 か ら完 全 には く離 してい る もの と思 われ る. また広 が り角 が大 き くな るにつれ て下流 ダク ト内で の回 復 点 も後 流 の方 -移 ってい る _

Fig.3.Variationofstaticpressurecoefficientswithdivergenceanglefor diffuserswithoutareasuction,

=次元ディフューザの吸込みによる性能改善 Cp Ojo_

2

L

,

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8

I

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㌔一 M B5

4

l 2 ● 0.qA0J317 20 30 40 50I/L (C) C 0_ 0.

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i-0.057 l qtl I . 0.0361 ○0.帆 7 10 0 10 P 30 10 50[/L (b)

C

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0_7 0.6 0.5 D.4

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∴

2

.0I

2

8-30' ryL-8.CCS

i

I10 0 to 20 30 10 50)▲/h (d)

Fig.4. Effectofareasuctiononthelongitudinalstaticpressurecoefficients alongthe300diffuser

図

4

は広 が り角300のデ フユーザについて 吹込 を行 な った 場合 の静圧分布 を入 口か らの吸 込面 の広 さに対 して示 した ものである. いずれ の吸込面 の場合 も,吹込量 が大 き くなるに つれ て静圧 も上昇 してい るが,圧力上昇 中横軸 に平行 となる領域 が消 えず に残 ってい る. これは ここ では く離 の領域 が残 ってい るもの と考 え られ る. この こ とは筆者 らが先 に行 な った入 口ス リッ トか らの吸込 に よる実験 での流 れの写真 か らも明 らかに されてい る. 入 口か らの吸込面の広 さに関 しては,吸込 面の 巾を10m,20JEK,30m,70北■(図 にはディ フ ューザ側壁 の長 さ との比で示 してある) と変 えて測定 した結果 を図4 (a) - (d)に示 し てある. 図か ら分 るよ うにいずれ の吸込面 に対 して も攻込 みに よる静圧上 昇 の効果 は現 わ れてい るが,吸込 み巾の一番小 さい場合 が吸込 みに よる効果 壮 もっ とも大 き く吸込面 の巾が 広 くなるに従 ってその効果 も小 さ くな ってい る.

帆

知

仰

和

孤

Fig･5, Effectofareasuctiononthelongitudinalstaticpressurecoefficients

alongthe600diffuser 広 が り角600につい ては,吸込 面 の 巾 を入 口よ り 10mznE,20柵,30m ,50hZnEに した場合 の結 果 を図5 (a) - (d)に示 してある. これ らも広 が り角 300の場合 と同 じくいずれの場 合 も吸込 み に よる圧力 の上 昇 はみ られ るが,吸込面 の 巾の一番小 さい もの を除い てはその効 果 は余 り認 め られ ない.結 局 ,広 が り角300お よび600の場合 につい て も入 口か らの吸込 面の 巾の小 さい場合 が吸込 み に よる静圧上 昇 の効果 は大 きい. 特 に広 が り角600の場合 はそれ がけん著 に現 われ てい る.

二次元ディフューザの吸込みによる性能改善 9

4.

2

デ ィフューザの性能 ディ フューザの性 能 を比較 す るために,図6と図 7に圧力回復効率 お よび損失係数 を吸込 量 に対 して示 してあ る. 広 が り角

3

00

におい ては,入 口か らの 攻込 面 の 巾

1

0

J

tIの ときが も っ とも効率 は高 く,吸込量 が約2%で吸込効果 がほぼ完 了 してい る. しか し入 口か らの吸 込 面 の 巾が増す につれ て吹込 み に よる効果 は′トさ く効率 のその面で最大 とな る ときの吸込 量 も次第 に大 き くな ってい る.広 が り角600の場合 は 静 圧分 布 の ところで も考察 した よ うにデ ィ フューザの入 口か らの吸込 面 の 巾10比の とき以外 は吸込 み に よ って性 能 を改善 す るこ とは 期待 で きない . 図

7

はデイ フ ユ-ザ の性 能 を損失係 数 で ま とめた もので ,圧力 回復効率 の場合 と同様 な結 果 を示 してい る. I T 2I-30. ○

.

㌔ e O.2∼ ○ ○.2CO ○ ○,叫 ○ 0.C67 O ○.028 001 002 003

0

D

l

(a) l 28- 机 ` Il ○ 0.O t､)1.27lHtl 0 ∼ 0OZ 0L72 日lH LILH (ら)

Fig･6･Variationofpressure efficiency with suction flow rateforvarious extentsofporousarea

oo● (Ec) …

…q

b

Fig.7. Variationoflosscoefficientswithsuctionflow rateforvarious extentsofporousarea

Fig･8･ Effectofextentsofporousareaonmaximum pressureefficiency andsuctionflow ratetogivemaximum presstlreefficlenCy

図8は もっとも有効 な吸込面の巾を定 めるためにそれぞれの攻込面における最大の圧力回 復 効率 お よびその ときの吸込量 を前述 の結集 か ら求 めて示 したものである. 図8(a) は 広 が り角

3

00

の場合で,入 口か らの吹込面の巾

1

0

■暮において最大の圧力回復効率 に対 して最 小の吸込量の値 を示 してい る. そ して吸込面の巾が大 き くなるにつれて効率 は減少 し,吸 込量 も大 き くなってい る.広 が り角

6

00

の場合 も 図

8(

b)

に示す ように 吸込面の巾

1

0

JMの と きが最大の効率 を示 し,その ときの吸込量 も最小 となっている. しか し一方入 口か らの毅込 面の巾が大 き くなるにつれて効率 は次第 に減少 してい るが,吸込量 は吸込面の巾が

3

0

JEJtの と ころまではわずかなが ら増大 し,これ よ り吸込面 が広 くなる と再び減少 してい る. この ことは吸込みによる静圧分布や圧力回復効率曲線 か らも分 るように吸込巾50JE.以上の も のでは吸込みによる圧力回復効率 の改善 がほ とん どなされていない こ とか らも分 る. かように圧力回復効率 の最大になる最小の吸込量 を最適吸込量 とすれば,広 が り角

3

00

の 場合 は約

2%.

600の場 は

3･

5

%

とな り.広 が り角 が 大 き くなるにつれ て最適攻込量 も増大 してい る.

4.

3

入口および圧力回複断面における速度 図10(a) はディ フューザ入 口助走区間における境界層の速度分布 を示 した ものである. 広 が り一角

1

00

の場合は吸込みな し,広 が り角

3

00

では吸込のある場合の

4

つの異 なる吸込面 の巾に対 し,また広 が り角

6

00

について蛙 吸込みのある場合の一つの吸込巾に対 して示 して ある.図か ら分 るようにこれ ら助走区間における速 度分布 は広 が り角,吸込面の巾,攻込圭 な どに僧 とんど影響 されていない. また図10(b)､に示 した ように圧力回復断面 (入 口よ り下流

-1

7

5

5

J

t

X

)

における速度分布 も入 口速度 の場合 と同様 な結果 にな っている. これは

二次元ディフューザの吸込みによる性能改善 ll 回復点 がデ ィ フ ューザ出 口 よ りか な り後 方 ダク ト内 に な ってい るた め に炊込 み の影 響 が な く な りほぼ均 一 な流れ にな ってい るため だ と思 われ る. 0･5 0.6 0.7 0･8 0.9 1.0 1.0 1.0 1,0 0.9 1.0 50 40 30100 28-lo x/L-0.028 X′L-0.057X/L-0.200X′L_0.288 I/q-Oq/q-0.009 4/q-0.026q/ -0.009q/q-0..012 28-60'> x/L-0. 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 U/U (b)

8.

結 論 面耕 比 4 :1,アスペ ク ト比 4 :1,広 が り角300と600をもつ二次元的 に広 がる長方形断 面 ディ フューザについて入 口に設 けた多孔壁側面の巾 をいろい ろかえて-様 な吸込み を行 な った場合の有効 な吸込面の巾お よび吸込量 の性 能 にお よぼす影響 を調べた結果 ,次の ことが 明 らかにされ た. 1)多孔壁面か らの一様 な攻込 みによる性一能改善 はス リ ット吹込 に よる場合 と同様 に非常 に有効である. 2)もっとも有効 な吸込面の巾は広 が り角300お よび600のいずれの場合 も入 口か ら10JElの 巾の ものであ り,入 口か らの吸込面の巾が大 き くなるにつれ てその効果 は減少 している. 特 に広 が り免600の場合 はそれ がけん著 に現 われ てい る. 3)圧力回復効率 の 最大 になる最′トの 吸込量 は広 が り角 300で約 2%,600で 3.5%であ り,広 が り角 が大 き くなるほ ど最適 吸込量 も大 き くな っている. この こ とはス リ ットによ る吸込 みの場合 も同様 である. 最後 に,本研究 は筆者 がさきに名古屋大学で行 な った研究 の一連 の もので,ここに終始御 指導 いただいた古屋善正教授 .藤本哲夫助教授 に心 か ら感謝の意 を表 します. また実験 に 協力 して くれた親川兼 勇君 (当時研究生) お よび卒業研究 として参加 し協力 して くれた学生 諸君 に謝意 を表 します . 文 献

1)S.J.Kline,D.E.AbbottandR.W.Fox,TrDm.ASME,ser.D,81(1959),321.

2)E.C･Reid,NACA TN2899,(1953)･ 3)I.AckFret,VDI-Z,70(1926),1153.

4)L ら.GratzerandR･fl･Smith,ReP･No･300,Aero･L･1b･.Univ･ofWashington,

(1948).

5)C.A HalzhauserandL.PIHall,NJICA TN3793,(1956)･ 6)古屋 ･佐藤 ･横田, 日本捜械学会論文集,31224(昭40),553.

7)古屋 ･山里 ･西浦, 日本機械学会東海支部第16期総会学術詐流会前刷集,(1967),61･

8)古屋 ･藤本 ･山里 ･都築, 日本磯械学会東海支部第17期総会学術謙涙金前刷集,(1968),9･ 9)生井 ･井上 ･九郎九 ･上尻 目本棟械学会講演論文集 No･176,(lC67)･