キャビテーション壊蝕の機構とその予測法の研究

1996 年度 研究成果報告書概要

• 研究課題/領域番号: 07044124
• 研究種目: 国際学術研究
• 配分区分: 補助金
• 応募区分: 共同研究
• 研究機関: 東京大学
• 研究代表者: 加藤 洋治 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (00010695)
• 研究分担者: RETAILLEAU A アルストーム社グルノーブル研究教育センター, 研究員 ; DOREY J.ーM. フランス電力(株), 研究部機械工学部門, 研究員 ; LECOFFRE Y. イレク, コンサルタンツ社, 主席研究員 ; WOILLEZ J. アルストーム社グルノーブル研究教育センター, 主任研究員 ; LAVIGNE S. アルストーム社グルノーブル研究教育センター, 研究員 ; REBOUD J.ーL. グルノーブル流体機械研究センター, 研究員 ; FRANC J.ーP. グルノーブル機械研究所, 研究員 ; MICHEL J.ーM. グルノーブル機械研究所, 主任研究員 ; 藤川 重雄 富山県立大学, 工学部, 教授 (70111937) ; 服部 修次 福井大学, 工学部, 助教授 (00143933) ; 岩井 善郎 福井大学, 工学部, 教授 (40115291) ; 祖山 均 東北大学, 工学部, 助教授 (90211995) ; 井小萩 利明 東北大学, 流体科学研究所, 教授 (90091652) ; 山口 一 東京大学, 大学院・工学系研究科, 助教授 (20166622) ; 松本 洋一郎 東京大学, 大学院・工学系研究科, 教授 (60111473)
• 研究期間 (年度): 1995 – 1996
• キーワード: キャビテーション / 壊食 / 気泡崩壊 / 衝撃力 / 計測法 / 推定法 / ピット / 模型実験

研究概要

平成7,8年度の2ヶ年の研究期間の間、平成8年3月にフランス・グルノ-ブルにて、平成8年12月に仙台にて2回の国際ワークショップを開催した。
さらに本研究組織の2人の日本側メンバーが、平成7年度と8年度にそれぞれ2ヶ月間、フランス側研究代表者であるMichel博士の所属するグルノ-ブル機械研究所に滞在し、共同研究を実施した。
共同研究においてはMichel博士らが開発した渦キャビテーションの崩壊を利用した壊食実験装置を用いて、各種の衝撃力センサーの比較実験を行った。その結果、マグネシア単結晶の表面に生じる転位を計測する方法、日本で開発された2種のピエゾセラミックセンサーおよびフランスで使用されている高分子ピエゾフィルム(PVDF)センサーはその計測値が互いによく一致し、これらの衝撃力センサーの精度と信頼性が確認された。これにより本研究の主要な目的の一つである「国際的な標準となり得るセンサーの開発」という目的は達せられた。
上述の2回のワークショップで討議された課題の内、注目すべき項目について述べる。
1.数値解析による壊食機構の研究
(1)キャビテーション気泡が固体面近くで崩壊した時、固体面にどのようなピットが生じるかを弾塑性固体モデルを使って解析し、ピットの測定から逆の衝撃圧力の大きさと分布を求める方法が開発された。
(2)またクラウドキャビテーションを気泡群を含む2相流場としてモデル化し、発生する衝撃波の挙動を計算する方法や、気泡を含む流場を局所均質媒体モデルにより表現し、気泡二相媒体の圧縮性ナビエ・ストークス方程式を解くという方法が開発された。いずれも、金属に壊食を引き起すのに十分な大きさの衝撃圧が計算されている。
2.壊食の定量的推定法
(1)フランス側分担者の一人であるLecoffre氏が提案した模型実験から実機の壊食量を推定する方法はフランス国内のみならず、ヨーロッパ、カナダ等でも試みられ、その有用性が注目されて来ている。その概要は次のようである。
まずキャビティの挙動はストローハル数により支配され、気泡崩壊にともなう衝撃力はウォーターハンマーと同じ取り扱いが出来るものとする。この仮定を使って、模型の壊食実験で計測した壊食ピットの数から寸法、流速、材料が異なる実機の場合を推定し、さらに実機のピット発生率から壊食量を推定する。
(2)衝撃力とピット径を同時に計測出来る試験部を用いて、両者の関係を調べるとよい相関が得られ、衝撃力の分布からピット分布が推定出来る。そして衝撃力FからΣF^2を求めると、この値は、最大壊食率PERに対しΣF^2∝PER^nという関係がある。ベキ数nは金属の強度と衝撃力分布を計測する際のしきい値によって変わる。このことから種々の金属による壊食試験と衝撃力計測、実機での衝撃力計測から実機の壊食量を推定出来る。
(3)模型実機を行わずに、キャビティの蒸発量、キャビティ気泡の大きさの分布、気泡崩壊時の衝撃力などを推定し、それから固体面にかかる衝撃力分布を推定する方法も提案された。
(4)また液体の特性の壊食に及ぼす影響についてもポリマー水、含油水、エチレングリコル水溶液を使って調べられた。壊食率は表面張力と音響インピーダンスの増加とともに増加し、粘度の増加とともに減少する。
3.実機の壊食
(1)ポンプ等の壊食の危険性を予測するのに加速度計による振動の計測が有効であることが示された。また流量とNPSHをパラメータとした振動、騒音、圧力変動量のマップを作ると、これらは似たパターンとなり、壊食の危険性を予測するのに役立つ。
(2)ナビエ・ストークス方程式を使ってポンプのインペラ-の圧力分布を求め、それからキャビティ長さを推定し壊食量を予測する可能性についても研究されている。

研究成果

• [文献書誌] 金野祥久、加藤洋治、山口 一、前田正二: "キャビテーション壊食量の推定法(第一報:気泡崩壊による衝撃圧スペクトル)" 日本造船学会論文集. 177. 81-89 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 川並康剛、加藤洋治、山口 一、前田正二: "2次元翼のシート・キャビテーションまわりの流場構造" 日本造船学会論文集. 177. 67-80 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 谷村正治、多賀谷義典、加藤洋治、山口 一,前田正二、川並康剛: "翼形のクラウドキャビテーションの発生機構とその制御" 日本造船学会論文集. 178. 41-50 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 島田正二、小林 孝、松本洋一郎: "ディーゼルエンジン用燃焼噴射ポンプ内の衝撃波伝播解析" 自動車技術会春季大会講演論文集. 953. 302-304 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 高木 周、松本洋一郎、黄 華雄: "境界適合格子による単一上昇気泡の数値解析" 日本機械学会論文集B編. 61-586. 1976-1983 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 村井裕一、松本洋一郎: "自由表面を有する容器内の気泡プルームの数値解析" 日本機械学会論文集B編. 61-588. 2818-2825 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] F.Takemura,Y.Matsumoto,M.Tsubota and Y.Tomita: "Effects of the Internal Phenomena on Bubble Motion in Liquid Nitrogen" Cavitation and Multiphase Flow 1995. 210. 187-192 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Shimada,T.Kobayashi and Y.Matsumoto: "Numerical Analysis of the Flow in the Fuel Inlection Pump for Diesel Engine" Cavitation and Multiphase Flow 1995. 210. 111-114 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 島田正仁、小林 孝、松本洋一郎: "ディーゼルエンジン用燃料噴射ポンプ内の衝撃波伝播解析(第2報)気泡分布が衝撃波伝播に与える影響" 自動車技術会春季大会講演論文集. 954. 253-256 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Kato,A.Konno,M.Maeda and H.Yamaguchi: "Possibility of Quantitative Prediction of Cavitation Erosion without Model Test" Journal of Fluids Engineering,ASME. 118. 582-588 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Kawanami,H.Kato,H.Yamaguchi,et al.: "Mechanism and Control of Cloud Cavitation" Journal of Fluids Engineering,ASME. 1. 329-336 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 村井裕一、松本洋一郎: "圧力方程式を用いた非定常気泡流の数値解析" 日本機械学会論文集B編. 62-593. 85-92 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.Kameda,Y.Matsumoto: "Shock Waves in a Liquid Containing Small Gas Bubbles" Physics of Fluids. 8-2. 322-335 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Matsumoto,M.Kameda: "Propagation of Shock Waves in Dilute Bubbly Liquids(Governing Equations,Hugoniot Relations,and Effect of Slippage Between two Phases)" JASM International Journal Series B. 39(2). 264-272 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 高木 周、松本洋一郎: "静止流体中を上昇する球形気泡に働く力" 混相流. 10-3. 264-273 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 島田正仁、小林 孝、松本洋一郎: "ディーゼルエンジン用燃料噴射ポンプ内の衝撃波の発生及び伝播の数値解析(第3報)" 自動車技術会秋季大会講演論文集. 961. 61-64 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 祖山 均、李 受人、外崎昌志、裏西和夫、加藤洋治、大場利三郎: "高比速度遠心ポンプに生じる激しい壊食の壊食率の推定法" 日本機械学会論文集B編. 62-595. 841-846 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 大場利三郎、祖山 均、岩崎正博、武田 渉、平田恭茂、樋口二郎: "偏心形バラフライ弁まわりの壊食性キャビテーション流れパターンの観察" ターボ機械. 24-3. 129-135 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 大場利三郎、祖山 均、谷 清人、武田 渉、樋口二郎、平田恭茂: "偏心形バラフライ弁まわりのキャビテーション振動の挙動" ターボ機械. 24-4. 193-199 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Soyama,A.Lichtarowicz,and T.Momma: "Vortex Cavitation in a Submerged Water Jet" Symposium on Cavitation and Gas-Liquid Flows in Flow Machinery and Devices. 236. 415-422 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Soyama and A.Lichtarowicz: "Cavitating jets-Similarity Correlations" 噴流工学. 13-2. 9-19 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 祖山 均、リヒタロビッチ: "キャビテーション噴流における有用な相関関係" 日本ウォータージェット学会第11回研究発表講演会論文集. 25-32 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] H.Soyama,Y.Yamauchi,K.Sato,T.Ikohagi,R.Oba and R.Oshima: "High-Speed Observation of Ultrahigh-Speed Submerged Water Jets" Experimental Thermal and Fluid Science. 12-4. 411-416 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 祖山 均、内山由章、井小萩利明、大場利三郎、佐藤一教、進藤丈典、大島亮一郎: "高速水中噴流による顕著なピ-ニング効果(ステンレス鋼の残留応力改善)" 噴流工学. 13-1. 25-32 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 奥田孝造,井小萩利明: "気泡雲の崩壊挙動の数値シミュレーション" 日本機械学会論文集B編. 62-603. 3792-3797 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 劉樹軍,井小萩利明: "キャビテーション壊食に及ぼすカソード防御効果" 日本機械学会論文集B編. 62-604. 4015-4019 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 服部修次、森 啓之、大矢一幸、牧野一郎、岡田庸敬: "オーステンパー球状黒鉛鋳鉄の耐キャビテーション壊食性" ターボ機械. 24. 334-339 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 森 啓之、柴田勝博、服部修次、岡田庸敬: "キャビテーション気泡崩壊圧の伝ぱ挙動と壊食量(三層型制振材料を用いた結果)" 日本機械学会論文集A編. 62. 1820-1826 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 中尾栄作、服部修次、岡田庸敬: "Ti-Al系金属間化合物のキャビテーション壊食特性" 日本機械学会論文集A編. 62. 2130-2136 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 森 啓之、服部修次、岡田庸敬、水島一寿: "キャビテーション気泡崩壊圧と壊食量に関する一考察" 日本機械学会論文集A編. 62. 2326-2332 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 服部修次、森 啓之、堀 友和、岡田庸敬: "肉盛り材料のキャビテーション壊食特性" ターボ機械. 24. 713-718 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] G.Filalie,S.Hattori,J.M.Michel,J.P.Franc: "Le Cavermod,moyen d'essai d'erosion de cavitati on:etalonnage a partir des deformations plastiques de monocristaux d'oxyde de magnesium" 3emes Journees Cavitation,Societe Hydrotechnique de France. 13-14 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 藤川重雄、小谷正直、高杉信秀: "衝撃波の反射領域・衝撃波管管端面での蒸気の膜状凝縮理論(第2報、凝縮係数決定の理論的根拠)" 日本機械学会論文集B編. 62-596. 1482-1487 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 和田英典、寺崎尚嗣、高杉信秀、藤川重雄: "インデューサに発生するキャビテーション気泡の崩壊圧の計測と処理" 日本機械学会第74期全国大会講演論文集. Vol.III. 165-166 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 寺崎尚嗣、和田英典、藤川重雄、高杉信秀: "水中ウォータージエットまわりのキャビテーション衝撃圧の計測" 日本ウォータージェット学会第11回研究発表講演会論文集. 49-54 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 劉 樹軍、樋口二郎、井小萩利明: "キャビテーション壊食に及ぼすカソード防御効果(SEMによる観察)" 日本機械学会論文集B編. 63-606. 366-371 (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 寺崎尚嗣、和田英典、高杉信秀、藤川重雄: "ウォータージエツト計測用小型高速応答衝撃力計の開発" 日本機械学会第74期通常総会講演会講演論文集. Vol.III(講演予定). (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] 祖山 均、リヒタロビッチ、門馬: "PVDFセンサによるキャビテーション噴流まわりの浸食エネルギの計測" 日本機械学会関西支部第72期定時総会講演会. (講演予定). (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] M.A.Dominguez-Cortazar,J.M.Michel,J.P.Franc: "The erosive axial collapse of a cavitating vortex:an experimental study" to be published in Journal of Fluids Engineering. (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(和文)」より
• [文献書誌] Y.Yamauchi, H.Soyama, T.Ikohagi, R.Oba, K.Sato: "Ambient Pressure Effects upon Impinging Erosion Resulted by High speed Submerged "Water-Jets"" Proceedings of the 4th Pacific Rim International Conference on Water Jet Technology. 20-22. 139-150 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Soyama, R.Oba, K.Uranishi, H.Kato: "Vibrations and Noises Associated with Severe Cavitation Erosion Arisen in a High Specific-speed Centrifugal-Pump" Proceedings of International Symposium on Cavitation. 225-232 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Soyama, T.Ikohagi, R.Oba: "Visualization of Vortex- and Cloud-Cavitation around a Submerged Water-Jet by Stereoscopic Stacking Display of Digital Images" Proceedings of Flow Visualization and Image Processing of Multiphase Systems, ASME. FED-209. 43-48 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Okada, Y.Iwai, S.Hattori, N.Tanimura: "Relation between impact load and the damage produced by cavitation bubble collapse" Wear. 184. 231-239 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] T.Okada, S.Hattori, M.Shimizu: "A Fundamental Study of Cavitation Erosion Using A Magnesium Oxide Single Crystal" Wear. 186-187. 437-443 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Hattori: "Cavitation erosion of advanced materials" Seminaire Mechanique des Fluides de Grenoble. (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Fujikawa, M.Kotani, H.Sato: "Molecular Study on Phase Transition Phenomena of Fluid" Thermal Science and Engineering. 3. 45-50 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] R.Fortes-Patella, J.-L.Reboud: "A New Approach to Evaluate the Cavitation Erosion Power" International Symposium on Cavitation. 233-240 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Lavigne et al.: "Measurement of the Aggresivity of Erosive Cavitating Flows by a Technique of Pits Analysis" International Symposium on Cavitation. 241-248 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Lecoffre: "Cavitation Erosion, Hydrodynamic Scaling Laws, Practical Method of Long Term Damage Prediction" International Symposium on Cavitation. 249-256 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Kato: "Possivility of Quantitative Prediction of Cavitation Erosion Without Model Test" International Symposium on Cavitation. 289-296 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Sato K,Yamauchi Y,Soyama H,Ikohagi T,Oba R,Manabe F: "A New Peening Process by Means of Submerged Cavitating Water-Jets" Proc.4th Pacific Rin Int.Conf.on Water Jet Technology. I. 437-448 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] S.Hattori: "Measurements and evaluation of bubble collapse impact loads" Seminaire Mechanique des Fluides de Grenoble. (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] F.Takemura, Y.Matsumoto, M.Tsubota and Y.Tomita: "Effects of the Internal Phenomena on Bubble Motion in Liquid Nitrogen" Cavitation and Multiphase Flow 1995. 210. 187-192 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Shimada, T.Kobayashi and Y.Matsumoto: "Numerical Analysis of the Flow in the Fuel Inlection Pump for Diesel Engine" Cavitation and Multiphase Flow 1995. 210. 111-114 (1995)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Kato, A.Konno, M.Maeda and H.Yamaguchi: "Possibility of Quantitative Prediction of Cavitation Erosion without Model Test" Journal of Fluids Engineering, ASME. 118. 582-588 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Kawanami, H.Kato, H.Yamaguchi, et al.: "Mechanism and Control of Cloud Cavitation" Journal of Fluids Engineering, ASME. 1. 329-336 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.Kameda, Y.Matsumoto: "Shock Waves in a Liquid Containing Small Gas Bubbles" Physics of Fluids. 8-2. 322-335 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] Y.Matsumoto, M.Kameda: "Propagation of Shock Waves in Dilute Bubbly Liquids (Governing Equations, Hugoniot Relations, and Effect of Slippage Between two Phases)" JASM International Journal Series B. 39 (2). 264-272 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Soyama, A.Lichtarowicz, and T.Momma: "Vortex Cavitation in a Submerged Water Jet" Symposium on Cavitation and Gas-Liquid Flows in Flow Machinery and Devices. 236. 415-422 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Soyama and A.Lichtarowicz: "Cavitating Jets - Similarity Correlations" Journal of Jet Engineering. 13-2. 9-19 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] H.Soyama, Y.Yamauchi, K.Sato, T.Ikohagi, R.Oba and R.Oshima: "High-Speed Observation of Ultrahigh-Speed Submerged Water Jets" Experimental Thermal and Fluid Science. 12-4. 411-416 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] G.Filalie, S.Hattori, J.M.Michel, J.P.Franc: "Le Cavermod, Moyen d'essai d'erosion de Cavitation : Etalonnage a Partir des Deformations Plastiq ues de Monocristaux d'oxyde de Magnesium" 3emes Journees Cavitation, Societe Hydrotechnique de France. 13-14 (1996)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より
• [文献書誌] M.A.Dominguez-Cortazar, J.M.Michel, J.P.Franc: "The erosive axial collapse of a cavitating vortex : an experimental study" Journal of Fluids Engineering. (to be published). (1997)
  • 説明: 「研究成果報告書概要(欧文)」より