超音波流速分布流測計を用いた気液二相乱流計測のための基礎研究

2001 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 12750133
• 研究機関: 東京工業大学
• 研究代表者: 木倉 宏成 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助手 (00302985)
• キーワード: 流体力学 / 気液二相流 / 乱流 / 超音波パルスのドップラ効果 / レーザ計測 / 測定体積 / 気泡周りの流動特性 / レイノルズ応力

研究概要

超音波流速分布流測計(UVP)を用いた気液相乱流計測のための基礎研究として、垂直円管内の水単相流の乱流計測を行い、本測定法における測定体積のアンサンブル平均およびレイノルズ応力計測への影響をDNSおよびレーザ計測結果と比較し検討した。その結果、以下の知見が得られた.
(1)測定体積の影響は解析的に求めることができる。
(2)アンサンブル平均に関して,測定体積の影響は遷移領域および粘性底層の部(y^+>2.5)において顕著となる。
(3)レイノルズ応力に関して,実験値のピークがDNSの結果に比べ低くなることは解析より定性的に説明できたが,定量的には説明できなかった。特に,y/R>0.2においてDNSの結果よりも低くなる理由は,今後の検討課題である。
次に、垂直円管流路と垂直矩形流路に気泡上昇流および下降流を形成させ、超音波流速分布流測計を用いて気液二相流の瞬時流速分布を計測した.得られたデータを統計的処理して、気泡周りの液相の微視的な流動特性と乱流構造を調べると共に測定体積の影響を調べ,以下のことを明らかにした。
(1)気泡が壁面近傍に存在するときの気泡近傍の液相構造は、流路中央付近に気泡が存在する場合と異なる。
(2)気泡周りの速度分布は、液相流量よらない固定的な層(粘性底層)、液相主流が支配的な領域(主流領域)およびその遷移領域の三つの領域に分類することが出来る。
(3)気液界面近傍における、液相の速度勾配は流量条件に寄らずにほぼ一定となる。
(4)気泡後方側の液相構造で大きな速度変動が起こり、ランダムな乱れが発生する領域が存在し、先行気泡の影響によって、気泡周りの流動特性が異なった統計量を示す。
(5)超音波ビーム径を絞ることにより、液相速度情報の取得率を増加させることが出来、従来に比べて高ボイド率の流動に関しても気液両相の速度計測を行うことができる。

研究成果

• [文献書誌] Suzuki, Y., Nakagawa, M., Murakawa, H., Aritomi, M., Kikura, H, Mori, M.: "Microscopic Flow Structure around Bubbles in Bubbly Flows"5th World Conference on Experimental Heat Transfer, Fluid Mechanics and Thermodynamics. 1381-1386 (2001)
• [文献書誌] Murakawa, H., Suzuki, Y., Kikura, H., Aritomi, M.: "Liquid phase flow structure around bubble in bubbly co-current flow, Proceedings of 4th international conference on multiphase flow"Proc. of International Conference on Multiphase Flow 2001(ICMF2001). 1-12 (2001)
• [文献書誌] 村川英樹, 木倉宏成, 有冨正憲, 鈴木裕美子, 森 治嗣: "超音波流速分布計測計を用いた気液二相流計測における測定体積の影響"日本混相流学会年会講演会2001講演論文集. 15-16 (2001)
• [文献書誌] 大司 毅, 山中玄太郎, 木倉宏成, 有冨正憲: "超音波流速分布流側計を用いた乱流計測(第二報 レーザードップラー流速計との比較)"第38回日本伝熱シンポジウム講演論文集. 728-728 (2001)