吹出風速分布を与えたエアカーテンに関する研究

(1)

2019 年度修士論文

吹出風速分布を与えたエアカーテンに関する研究

―PIV と CFD による気流性状の把握―

首都大学東京大学院都市環境科学研究科建築学域博士前期課程

2

年

18852511 岡田拓真

指導教員永田明寛

(2)

1.2

既往研究

1.3

研究の目的

1.4

論文の構成

第

2

章

PIV

測定による気流性状の把握と

CFD

解析の整合性確認

2.1

緒言

2.2

実験装置概要

2.3

実験概要

2.4

実験装置の風量収支の確認

2.5

撮影画角

30cm×30cm

での

PIV

測定

2.5.1 PIV

測定概要

2.5.2

撮影領域について

2.5.3 AC

の概要

2.5.4 AC

の吹出風速分布の確認

2.5.5 PIV

測定ケース

2.5.6 PIV

測定結果

2.5.7 CFD

解析概要

2.5.8 PIV

測定と

CFD

解析の比較

2.5.9

外気侵入量と気流遮断率による比較

2.6

撮影画角

15cm×15cm

での

PIV

測定

2.6.1 PIV

測定概要

2.6.2 AC

の概要

2.6.3 AC

の吹出風速分布の確認

2.6.4 PIV

測定ケース

2.6.5 PIV

測定結果・考察

2.6.6 PIV

測定と

CFD

解析の比較

2.6.7

外気侵入量と気流遮断率による比較第 3 章

CFD

解析によるケーススタディ

3.1

緒言

3.2

実験モデルを用いた等温定常解析

3.3

単純化モデルを用いた

CFD

解析

3.3.1

単純化モデルの妥当性検証

3.3.2

後付型単純化モデルを用いた等温定常解析

・・・3

・・・4

・・・8

・・・13

・・・14

・・・17

・・・18

・・・19

・・・21

・・・22

・・・28

・・・29

・・・34

・・・35

・・・36

・・・37

・・・40

・・・41

・・・42

・・・47

・・・52

・・・54

・・・59

・・・63

(3)

3.5

非等温非定常解析第

4

章総括

吹出風速分布を与えたエアカーテンの圧力損失に関する近似式結論

今後の課題参考文献謝辞付録

・・・82

・・・102

・・・104

・・・105

・・・106

・・・107

・・・109

(4)

(5)

1

第 1 章

序論

(6)

2

1.1 研究の背景

建築物の出入り口は、人の通行などにより開放状態になることで、そこからの外気の侵入や室内の空調された空気の漏洩により熱損失が生じやすい。そのため出入り口における気流の流入出量を抑えることは、建築物内の温熱環境や省エネルギー性を考える上で重要な課題と言える。建築物の出入り口における外気負荷削減の手法としては、自動ドアや回転ドアなどが挙げられ、既往研究も多く存在する。エアカーテン（以下

AC：Air Curtain）も、

外気負荷削減の手法の

1

つとして商業施設やオフィスの出入り口に配置されることがある。

AC

は、細長い長方形の吹出口から一定速度の気流を吹出すことで

2

つの空間を遮断するものであり、現在では様々な用途で用いられている。主な用途としては、冷蔵、冷凍陳列棚に用いられるもの、工場などで防塵・防虫の目的で用いられるもの、医療施設やクリーンルームなどで細菌を遮断するために用いられるもの、飲食店などで分煙を目的として用いられるものなどが挙げられ、これらに関する研究は多くなされている。これらと比較して、建築物の空調負荷削減のために出入り口に設置される

AC

は国内ではあまり見かけることはないかもしれないが、人の出入りが激しく扉が設置されていても開放状態となってしまうような建築物の出入り口に設置されることが多く、既存の建築物の出入り口に後付で設置されるケースや、自動ドアと組み合わせて設置されるケースも増えており、その需要は高まってきていると考えられる。

AC

の形式もプッシュ式、プッシュプル式（循環式）、縦型、横型など様々である。

この

AC

についてこれまで様々な研究が成されてきている

¹⁾⁷⁾

が、出入り口に設置される

AC

を対象とした気流遮断性能向上に関する研究は少なく、改善の余地があると考えられる。

AC

の気流遮断性能を向上させる最も効果的な手法は吹出風速を増加させることである。しかし人の通過が少ない工場や冷蔵室などではこの手法は有用かもしれないが、人通りの多い商業施設やオフィスの出入り口においては、強い風によって通行人に不快感を与える可能性が懸念される。そこで目を付けたのは、人が通過する量の少ない

AC

の両端部である。

そもそも、AC を稼動させている状態で気流の流入出量が多くなるのが、AC が靡くことに

よって生じる

AC

横の空間である。この

AC

の両端部の風速を増加させることで、通過する

人に不快感を与えず

AC

の風量を増加させることができ、

AC

の両端部が捲くれ上がるのを

軽減させることが出来るのではないかと考えた。

(7)

3

1.2 既往研究

渡邉ら

¹⁾

は、CFD 解析にて

AC

周りのパラメータが遮断性能に及ぼす影響を明らかにした。また、

AC

の気流遮断性能に影響を及ぼす要素である内外温度差、内外差圧に関する研究として、非等温解析により、内外差圧がある状況下では内外温度差は

AC

の気流遮断性能に大きな影響を及ぼさず、外気侵入量は温度差がある条件でもない条件でも内外差圧によって決まるということが分かっている。

また、AC のスケール長さ

L

と開口高さ

H

を用いた無次元開口高さ

H/L

と

AC

による圧力損失係数、流量係数との関係とその近似式を示し、一般化している。

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

-25 -20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20 25

外気侵入量[m3/s]

内外差圧[Pa]

Vac=0 (ΔT=20) Vac=0 (ΔT=-20) Vac=0 (ΔT=0)

Vac=0 (差圧制御なし) Vac=9 (ΔT=20) Vac=9 (ΔT=-20) Vac=9 (ΔT=0)

Vac=9 (差圧制御なし)

図

1-1 内外差圧がある条件下での内外差圧と外気侵入量の関係

（温度差ありと温度差なしの比較）

(8)

4

1.3 研究の目的

AC

の両端部の流速を増加させ、風速分布をつけた際の気流性状を

S=1/10

の実験模型と

PIV(Particle Image Velocimetry)測定によって把握する。また、PIV

測定と

CFD

解析の解析結果を比較し整合性を確認した上で、

CFD

解析による様々なケーススタディを行い、

AC

に流速分布を与えた際の効果を明らかにする。そして解析した結果を用いて、

AC

による圧力損失係数を算出、近似式を作成し、一般化して

AC

の設計資料となることを目指す。

1.4 論文の構成

第

1

章では、本研究の背景について述べ、検討すべき課題についての考察をし、目的を延べた。

第

2

章では、S=1/10 の実験模型を用いた実験の概要と

AC

の気流性状の把握するために用いる

PIV

測定の概要を延べ、PIV 測定と

CFD

解析の解析結果を比較し、CFD 解析の妥当性を確認する。

第

3

章では、CFD 解析による定常解析と非定常解析について述べる。定常解析では

2

章で用いた解析モデル（実験モデル）を用い、流速を増加させる両端部の長さと流速をパラメータとし、気流遮断性能への影響を確認する。非定常解析では人体通過に連動して風速の制御を行う人体通過連動型

AC

の気流遮断性能について確認する。

第

4

章では、総括としてこれまで行った解析の結果から風速分布を与えた

AC

の圧力損

失に関する近似式の作成を行い、AC の設計資料となることを目指した。また、最後に結

論と今後の課題について述べた。

(9)

5 第1章での参考文献

1）渡邉久 ,

永田明寛：エアカーテンの熱・気流遮断性能に関する研究, 日本建築学会

環境系論文集第

83

巻第

743

号 , 29-37 , 2018 年

1

月

(10)

6

(11)

7

第 2 章

PIV 測定による気流性状の把握と

CFD 解析の整合性確認

(12)

8

2.1 緒言

本章では、縮小模型と

PIV

測定を用いた気流性状の把握を行う。PIV 測定は撮影画角を変えて

2

度行っており、それぞれ

AC

の流速分布と解析条件が異なる。また、CFD 解析では実験モデルを再現した解析を行い、それぞれの実験結果との比較を行い整合性があるか確認する。

2.2 実験装置概要

図

2-1～6

に実験装置の概要、表

2-1

に実験器具の詳細を示す。実験装置は

S=1/10

とな

っており、模型中央に設置した

AC

が遮断する

2

つの空間を図

2-1

のように室内、室外と定義する。室外空間への給気は、室外上部に設置した給気ファン（Inlet）から送られる空気が有孔板（開口率：2.95％／穴の直径：5mm）を通して全面から吹出すという仕組みとなっている。室外床面も同様に有孔板を通して排気口（Outlet1）と繋がっており、全面吸込で排気する仕組みとなっている。室内は

AC

の吸込口とダクトを接続し、室内の空気が循環する仕組みとなっており、ダクトの途中に排気口（Outlet2）を設置し、そこから一部の空気が排気される。

AC

は市販のものにダクトを接続し、模型縮尺に合わせた吹出口幅（5mm）

としている。AC の吹出口詳細については

PIV

測定の項目にて示す。

2.3 実験概要

冬季を想定し、室内が室外に比べて負圧になるように内外差圧を与えて

PIV

測定を行い、

AC（風速分布なし／風速分布あり）の気流性状を比較する。撮影画角は 30cm×30cm

と

15cm×15cm

の

2

パターンがあり、それぞれ撮影画角に合わせて

AC

の流速や条件を変化

させている。内外差圧は図

2-3

に示す室内・室外各

1

点で測定し、Inlet から給気する風量を調節して

0.2～3Pa

となるように制御する。また

PIV

計測に加え、給気ファンと

AC

を稼動させた状態で

Outlet2

から排気される風量を外気侵入量として評価する。外気侵入量は

Outlet2

の開口面積を

25

分割し、各面の中心風速から平均風速を求め、開口面積を掛けて

算出する。

表

2-1

実験器具詳細

Panasonic 長野計器

FY-30ESS GC68

アイ電子技術三菱電機

VA-20 BF-23S

AC

風速計給気ファン

差圧計

(13)

9

室内

室外

Outlet2

（自然流出面）

Outlet1

（自然流出面）

Inlet1

（流量規定）

AC

Outlet1

Inlet Outlet2

図

2-1

実験装置外観

図

2-2

実験装置各部詳細

(14)

10

200200700300

Y 1500 Z

1500 240

2002001000

300

給気ファン

チャンバー

Y

Z

図

2-3

実験装置断面図(Y=750mm)

図

2-4

実験装置平面図(Z=500mm)

図

2-5

実験装置断面図(X=500mm) 図

2-6

実験装置断面図(X=2250mm)

3000

1500 630630240

750

X Y

750

500 500

圧力測定点

X Y

アクリル板

Inlet

Outlet1 Outlet2

AC(吹き出し幅5mm)

室内室外

圧力測定点

500 500

3000

900300 1000200200

120

有孔板

（開口率：0.25） AC

給気ファン

X Z

(15)

11

吸込口吹出口

[AC] [給気ファン]

[風速計] [差圧計]

図

2-7

実験器具写真

(16)

12

また本実験では縮小模型を用いており，本来であれば相似則を考慮しなければならないが，今回対象としている流れ場が，十分乱流域に達しているため，本実験では相似則の考慮は行わないものとする．Re 数の計算法を以下に示す．

Re =𝑈𝐿 𝜈

= 3 × 0.3 1.51 × 10⁻⁵

= 5960

ただし，𝑈：代表流速[m/s]，𝐿：代表長さ[m]，𝜈：動粘性係数[m

²

/s]であり，今回は代表流速を AC 吹出風速，代表長さを開口高さとした．

図

2-8 Re

数計算概要

(17)

13

2.4 実験装置の風量収支の確認

本実験で用いる実験装置の妥当性を確認するため、風量収支の確認を行う。

図

2-9

に示すように、

Inlet

から給気する風量、

Outlet1,2

から排気する風量を測定した。

測定結果を表

2-2

に示す。誤差はわずかであり、この実験装置に空気の漏れがなく、風量収支が取れていることを確認した。

図

2-9

風量測定の様子

[Inlet] [Outlet2]

[Outlet1]

表

2-2

風量収支計算結果

平均風速[m/s] 開口面積[㎡] 風量[㎥/h]

Inlet 8.21 0.0506 1495.5336 Outtlet1 9.16 0.0225 741.96

Outlet2 9.22 0.0225 746.82

誤差（Inlet-Outlet1-Outlet2）＝6.75[㎥/h]

(18)

14

2.5 撮影画角 30cm×30cm での PIV 測定

まず、吹出口、天井から床までを含む

30cm×30cm

の範囲を測定したパターンについて述べる。

2.5.1 PIV 測定概要

図

2-10

に

PIV

撮影外観を、表

2-3、図2-13

に

PIV

用実験器具の詳細を示す。

図

2-10

に示すように、測定断面にレーザーをカメラと平行、床と垂直になるように照射する。そして画角を合わせ、床面と水平になるようにカメラの位置を固定する。その後、図

2-11

のように定規をレーザー面と合うように設置し、カメラのピントを合わせ、キャリブレーションを行う。キャリブレーションが正確に完了したら、定規を装置外に取り出し、シーディング発生装置と

AC、給気ファンを稼動させ、シーディングの濃度が適切になったタ

イミングで撮影を行っていく。

Inlet Outlet2

Outlet1

レーザーハイスピードカメラ

吹出口

AC

シーディング発生装置

PC

図

2-10 PIV

撮影外観

図

2-11

キャリブレーション画像図

2-12

撮影の様子

(19)

15

図

2-13 PIV

用実験器具写真

[水平器]

[シーディング発生装置]

[レーザー発生装置]

[カメラとレンズ]

表

2-3 PIV

用実験器具詳細

Photoron 西華デジタルイメージ

FACTCAM Mini CW レーザー

Nikon 波長:532nm 出力:1～5W

Nokkor 50mm f/1.2 Antari

西華デジタルイメージ HZ-350

KoncertoⅡ 水平器新潟計器　ALM-230

ソフトウェア

レーザー

シーディングカメラ

レンズ

(20)

16

表

2-4

に今回使用したカメラレンズ

AI Nikkor 50mm f/1.2S

の詳細を示す。このレンズは最大絞りが大きく、非常に明るい画像を撮影することができる。

表

2-5

に撮影・解析条件を示す。解析手法・条件は既往研究

²⁾³⁾⁴⁾

を参考にした。フレームレート（時間分解能）は

3000Hz、撮影時間は7

秒とし、

1

回の測定で

21000

枚の撮影を行った。得られた粒子画像は

PIV

解析ソフト

KoncertoⅡ（西華デジタルイメージ）によって

解析した。解析は再帰的相関法(Multiple-Pass Interrogation)とノイズ成分を低減させる効果のあるダブル相関(Multiple Correlation)を用いた。検査領域は

32px*32px

とし、誤ベクトルの発生状況に応じて、設定値以上の移動量を持つベクトルを除去する

Max

Displacement、標準偏差に設定値をかけた範囲より大きいベクトルを除去する Standard

Deviation、周囲8

近傍のベクトルを合わせたメジアン値と当該ベクトルとの差が閾値より

大きい場合に除去する

Median Filter

といったバリデーション処理を行った。

イメージサイズ[px] 1024*1024 時間分解能[us] 333.33(3000fps) キャリブレーション値[mm/px] 0.295 検査領域[px] 32*32

解析エリア[mm] 300*300 ステップサイズ[px] 16*16

計測時間[s] 7 再帰相関

露光時間[s] 1/3000 アルゴリズムダブル相関

最大絞り f/1.2 最大撮影倍率 0.12倍

焦点距離 50mm

AI Nikkor 50mm f/1.2S 表

2-4 カメラレンズ詳細

表

2-5 PIV

解析条件

(21)

17

2.5.2 撮影領域について

図

2.-14

に

PIV

測定の概要を、図

2-15

に

PIV

測定範囲を示す。表

2-4

にて示したカメラレンズを用いて図

2-15

に示す赤枠の部分を測定する。範囲は

30cm×30cm

とし

AC

の吹出口が右端に来るように設定した。

3000

1500 630630240

750

X Y

750

500 500

圧力測定点

X Y

レーザー発生装置

カメラエアカーテン

の吹出口

撮影

AC吹出口室内側天井

室内側床

300

X 300

Z

図

2-14 PIV

測定概要（Z=500mm）

図

2-15 PIV

測定範囲

(22)

18

2.5.3 AC の概要

図

2-16

に吹出風速分布をつける

AC

の詳細を、図

2-17

に風速分布をつけるために取り付けた抵抗メッシュの拡大図を示す。開口率は

53.8%となっており、この抵抗メッシュによ

って中央部の吹出風速が抑えられ、相対的に両端部の吹出風速が大きくなる。

AC

の吹出風速は基本風速を

9m/s

とし、吹出風速分布ありのケースでは両端部

40mm

の風速が

12m/s

となるように調節した。

図

2-16 AC

吹出風速測定箇所

1cm

図

2-17

抵抗メッシュ拡大図

40

240

抵抗メッシュ

12m/s

9m/s

12m/s Z

Y

(23)

19

2.5.4 AC の吹出風速分布の確認

AC

の吹出風速分布の確認を行う。図

2-18

に吹出風速の測定箇所を示す。それぞれの測定点の-z 方向の風速を測定し、AC が吹出す噴流の風速分布を確認した。測定結果を図

2-

19,20

に示す。どちらも概ね対称的な分布を示しており、目標とした吹出風速分布が再現さ

れていると言える。

図

2-18 AC

吹出風速測定箇所

1500

1000

240

300

200

AC

1500

1000

Wac: 5

200

AC

室内

室外

H: 300

13

×

16

＝

208

箇所

5

×

8

＝

40

箇所

50

Y Z

(24)

20

図

2-20 AC

吹出風速分布（Vac=9m/s,両端風速

Ve=12m/s,両端長さWe=40）

図

2-19 AC

吹出風速分布（Vac=9m/s）

300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

9-10 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1

300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

9-10 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1

Y Z

240

300

300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

11-12 10-11 9-10 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1

300 280 260 240 220 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

11-12 10-11 9-10 8-9 7-8 6-7 5-6 4-5 3-4 2-3 1-2 0-1

(25)

21

2.5.5 PIV 測定ケース

図

2-21

に測定断面の位置を表す平面図を、表

2-6

に測定ケースを示す。開口部の片側の端部を基準点（Y=0mm）とし、各ケースでそれぞれ、Y=120,30,0,-10mm の断面を計測す

る。

Y=-10mm

の断面はエアカーテンの吹出口はなく、内外差圧によって靡いた気流の外側

を計測する。壁はアクリル板となっているため開口部外側でもレーザーが照射でき、計測することができる。

解析ケースは内外差圧を

0.5,1,3Pa

の

3

パターンとし、それぞれ風速分布なし・ありのケースで測定を行い、計

6

ケースの解析を行う。

図

2-21 測定断面詳細（Z=500mm）

表

2-6 測定ケース

240

基準点

0-1012030

吹出口幅

:5mm

アクリル板

レーザー

X Y

case1 case2 case3 case4 case5 case6 内外差圧[Pa]

中央部流速[m/s] 9 9 9 9 9 9

両端部風速[m/s] 9 12 9 12 9 12

0.5 1 3

(26)

22

2.5.6 PIV 測定結果・考察

図

2-22

に

case1（内外差圧0.5Pa、風速分布なし）の平均流速ベクトル図を示す。

図内の黄色の縦線は壁の端を、右上の四角は吹出口の位置を示している。図を確認すると、

流速がかなり小さく捉えられてしまっているものの、気流性状は捉えられていると言える。

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

図

2-22 case1(内外差圧0.5Pa,

風速分布なし)の平均流速ベクトル図

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm

Y=-10mm

(27)

23

図

2-23

に

case2（内外差圧0.5Pa、風速分布あり）の平均流速ベクトル図を示す。

図

2-22

の分布なしのケースと比較すると、

Y=0,-10mm

のケースで特に風速を保てていると言え、AC の両端部に空気の壁を形成し、外気侵入を抑えていると言える。Y=30mm では流速が他の部分より小さくなってしまっている。これはメッシュの境付近ということで流速差が大きく、風が横に流されてしまうなど、気流の乱れが大きいことが原因である考えられる。

図

2-23 case2(内外差圧0.5Pa,

風速分布あり)の平均流速ベクトル図

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm

Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

(28)

24

図

2-24

に

case3（内外差圧1Pa、風速分布なし）の平均流速ベクトル図を示す。両端部

分である

Y=0,-10mm

の結果を見ると、AC が靡くことで

AC

の横に空間ができてしまって

いることが確認できる。

図

2-24 case3(内外差圧1Pa,

風速分布なし)の平均流速ベクトル図

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

(29)

25

図

2-25

に

case4（内外差圧1Pa、風速分布あり）の平均流速ベクトル図を示す。図2-24

の風速分布なしの図と比較すると、両端部に関して

0.5Pa

の時と同様風速を床面まで保つことができていることが分かる。Y=30mm に関しても

0.5Pa

と同様の結果を得た。

図

風速分布あり)の平均流速ベクトル図

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

(30)

26

図

2-26

に

case5（内外差圧3Pa、風速分布なし）の平均流速ベクトル図を示す。内外差

圧が大きくなると

AC

は大きく靡いてしまい、気流遮断性能が大きく低下してしまうということが分かる。両端部の

Y=0,-10mm

の気流は中央部の気流よりも大きく捲くれあがってしまうということも確認された。

図

風速分布なし)の平均流速ベクトル図

Y=120mm Y=30mm

Y=0mm

Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

(31)

27

図

2-27

に

case6（内外差圧3Pa、風速分布あり）の平均流速ベクトル図を示す。こちら

のケースでも内外差圧が大きい場合では

AC

の気流遮断性能が大きく下がってしまうことが確認された。しかし図

2-26

と比較をすると、両端部の

Y=0,-10mm

の気流がある程度床面まで保てていることが分かる。

図

風速分布あり)の平均流速ベクトル図

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

7

6

5

4

3

2

1

[m/s]0 流速 3[m/s]

(32)

28

2.5.7 CFD 解析概要

PIV

測定結果と比較をする実験モデルの概要を図

2-28、図2-29

に、解析概要を表

2-7

に示す。解析時間を短縮するため、解析領域は

Y

方向中央断面で区切った半分のみとし、断面を対称条件とした。その他の壁は対数則条件で、乱流モデルには標準

k-εを、移流項に

は

QUICK

を採用した。メッシュ数は約

150

万個である。Inlet は流量規定、Outlet1,2 は自然な流出となるよう全圧

0Pa

とした。

Inlet Outlet

Outlet

図

2-28

実験モデル概要

図

2-29

メッシュ概要表

2-7

解析概要

屋外空間 150015001000 定常・非定常定常屋内空間 15001500300 圧縮・非圧縮非圧縮

給気口 150*150 乱流モデル標準k-ε

排気口 150*150 壁境界対数則条件

AC吹き出し口 5*240 移流項 QUICK

有孔板開口率 2.95% Inlet 流量規定

メッシュ数約150万個 Outlet1,2 全圧規定0Pa

空間条件（単位：mm）解析条件

(33)

29

2.5.8 PIV 測定と CFD 解析の比較

PIV

測定の結果と

CFD

解析の比較を行い、整合性を確認する。比較するためのデータは以下の手法を用いて得る。

PIV

で得られた各グリッドの流速値、座標データを抽出する。その後図

2-30

のように

Excel

の

VBA

を用いて各高さにおける流速の最大値とその値を示した座標データを更に抽

出し、

AC

の中心軸を表現する。

CFD

のデータは、

PIV

の座標データを

CFD

の座標データに変換し、その後

CFD

の解析結果からその座標での流速値を抽出する。その後

PIV

と同様の分析手法で

AC

の中心軸のデータを取得する。

各高さにおける流速最大値を示した座標を抽出し、

ACの中心軸を表現する。

図

2-30 流速平均ベクトルの分析手法概要

(34)

30

図

2-31

に分布なしの

AC

中心軸の軌跡の比較結果を示す。これを見ると

PIV

と

CFD

の中心軸の軌跡は高さ

50mm

から上の範囲では概ね一致していると言える。高さ

50mm

より下の部分は

AC

の風速が弱まっていることと、室内への外気侵入の気流が強く吹いていることもあり

PIV

と

CFD

ともに乱れが生じている。

図

2-31 case1,3,5（風速分布なし）のAC

中心軸の軌跡による

CFD

解析との比較

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

0.5Pa(EXP) 1Pa(EXP) 3Pa(EXP) 0.5Pa(CFD) 1Pa(CFD) 3Pa(CFD)

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

(35)

31

図

2-32

に分布なしの

AC

中心軸の流速値の比較結果を示す。これを見るとどの測定断面においても流速値に大きな差異が見受けられる。噴流上部においては

3～5m/s、下部におい

ては

1～2m/s

もの差が確認された。また、

CFD

の方は内外差圧毎に流速値の軌跡に差があ

るのに対し、PIV の方ではどの内外差圧のケースでも同様の軌跡となっている。

図

2-32 case1,3,5（風速分布なし）のAC

中心軸の流速値による

CFD

解析との比較

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 2 4 6 8

Z[mm]

流速測定値[m/s]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 2 4 6 8

Z[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 1 2 3 4 5 6

Z[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 1 2 3 4

Z[mm]

(36)

32

図

2-33

に分布ありの

AC

中心軸の軌跡の比較結果を示す。分布ありの

AC

のケースでも内外差圧が小さいケースに関しては中心軸の軌跡が

PIV

と

CFD

で概ね一致している。しかし内外差圧

3Pa

の条件下でのケースについては

Y=30,-10mm

のケースにおいて差異が見られた。Y=30mm の部分は抵抗メッシュの端の付近ということで、吹出風速の差が大きく気流が乱れていることが原因と考えられる。また、

Y=-10mm

の断面は開口部の外側なので

Y

方向の気流が発生しそれが影響していると考えられる。

図

2-33 case2,4,6（風速分布あり）のAC

中心軸の軌跡による

CFD

解析との比較

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

0.5Pa(EXP) 1Pa(EXP) 3Pa(EXP) 0.5Pa(CFD) 1Pa(CFD) 3Pa(CFD) 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

Z[mm]

X[mm]

(37)

33

図

2-34

に分布ありの

AC

中心軸の流速値の比較結果を示す。分布なしの

AC

のケースと同様、このケースでも各測定断面で大きな流速値の差異が見受けられる。特に吹出風速の大きい両端部の測定断面に関しては特に差が大きく、Y=30mm の測定断面では上部において

8～9m/s

もの差が生まれている。

図

2-34 case2,4,6（風速分布あり）のAC

中心軸の流速値による

CFD

解析との比較

Y=120mm

Y=30mm

Y=0mm Y=-10mm

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 1 2 3 4 5

Z[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 2 4 6 8 10

Z[mm]

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 2 4 6 8

Z[mm]

0.5Pa(EXP) 1Pa(EXP) 3Pa(EXP) 0.5Pa(CFD) 1Pa(CFD) 3Pa(CFD) 0

20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 260 280 300

0 2 4 6 8

Z[mm]

吹出風速分布を与えたエアカーテンに関する研究

2019 年度 修士論文