気液二相流の各相流量の同時測定のための電源自立型IoT流量計の開発

• Project/Area Number: 21K03852
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 19010:Fluid engineering-related
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 内山 知実 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 教授 (90193911)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 高牟禮 光太郎 名古屋大学, 未来材料・システム研究所, 助教 (80847335)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000); Fiscal Year 2023: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥2,340,000 (Direct Cost: ¥1,800,000、Indirect Cost: ¥540,000)
• Keywords: 気液二相流 / タービン流量計 / 電源自立型

Outline of Research at the Start

気液二相流の気液を分離することなく，各相の流量を同時に測定できる流量計を開発する．その実装性と運用性を高めるため，自己発電機能とインターネットとの無線通信機能を付与する．タービン流量計，水力発電，IoT，機械学習の知見を総動員した研究である．ロータ回転数を測定し，その時間変化の特徴量（尖度，歪度，標準偏差，平均値）をニューラルネットワークに入力して各相流量を測定（同定）する，新奇な電源自立型のIoT流量計である．

Outline of Annual Research Achievements

円管の内部を気体と液体が混在して相互作用を及ぼし合いながら流れる気液二相流に対して，気体と液体のそれぞれの流量を同時に測定する方法を開発するため，タービン流量計を用いた実験的研究を実施した．
まず，タービン流量計を設計し，外注した．ロータは４枚の羽根をもち，流体の流れで回転する．この回転が電力を創出する．研究代表者らが従来の研究で使用したものに微修正を加えた設計である．その後，装置が製作され，納品された．
空気および水の体積流量をそれぞれQgおよびQlとし，空気体積流量比β=Qg/(Qg+Ql)と定義した．Qlが0.0005 から0.0018 m^3/sの条件において，βが0.1以下の場合について実験を実施した．すなわち，ロータの回転数の10秒間にわたる時間変化を測定し，その特徴量として尖度，歪度，標準偏差，平均を計算した．その結果，Qlの値に関わらず，βの値に応じた特徴量が出現することを確認できた．この成果は，本研究の最終目標の達成に向けた貴重な知見である．
また，研究計画にはなかったが，タービン流量計の上流側と下流側の２か所で圧力を測定し，タービン流量計の差圧も求めた．この値も特徴量として有望であることが判明した．

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

来年度以降の研究実施にむけて，貴重な知見が得られたからである．

Strategy for Future Research Activity

これまでの研究がおおむね順調に進んでいることから，当初予定通りの研究を進めていく．すなわち，特徴量から各相の流量を測定（同定）するニューラルネットワークを構築し，電源自立型IoT流量計の開発へと発展させていく．