反射信号の非線形性に基づく気液分離手法を用いた超音波混相流動解析システムの開発

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21760132
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 村川 英樹 Kobe University, 工学研究科, 助教 (40467668)
• Keywords: 超音波 / ドップラ法 / 相関法 / 速度分布計測 / 反射波解析

Research Abstract

超音波パルサレシーバ、高速デジタイザおよびPCを用い、相関法およびドップラ法を用いた速度分布計測システムを構築した。ドップラ法による速度算出では、2^5～2^7回の超音波パルスの送受信によって速度算出がされるため、流体中に存在する反射体の数密度などの条件による影響を比較的受けにくいものの時間分解能が悪く(数10ミリ秒オーダ)、特に乱流速度場における計測に課題がある。一方相関法を用いた速度算出では、最低2回超音波パルスの送受信を行い、得られた反射波の相互相関を計算することで速度算出が可能であるため、ドップラ法に比べ高時間分解能(1ミリ秒オーダ)の計測が可能である。そこで構築したシステムの適用性を確認するため、幅50mm、高さ25mm、長さ3000mmのアクリル製水平矩形流路において単相流速度分布計測を行い、本手法の有効性を確認した。気液二相流への適用には得られた瞬時速度分布において気液界面の同定が必要である。そこでドップラ法では超音波の繰り返し周波数を8kHz、瞬時速度分布の算出に用いる超音波の受信波形数を128に設定し、32の受信波形をずらして速度算出することで、500fpsの高速度カメラとの同期計測を実現した。これにより、瞬時速度に対応した画像より気液界面位置の同定を実現した。複数のデータより気泡位置の違いによる平均速度分布を算出し、気泡周りの液相速度分布計測により気泡誘起による液相速度分布への影響について評価した。不透明配管にて気液界面の同定を行うためには、反射波信号による気液界面の同定が必要不可欠である。そこで反射波信号の解析を行い、気液界面および粒子における反射波では位相が異なることを確認した。また、送信電圧の変化に伴う反射信号強度を計測し、反射強度の非線形性に関する解析行った。