超音波を利用した高精度環境流動場流量計測システムの開発

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555045
• Research Institution: Tokyo Institute of Technology
• Principal Investigator: 有冨 正憲 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 教授 (60101002)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 中田 正明 ジャパンプローブ(株), 取締役・主任研究員 ; 小池 義和 芝浦工業大学, 工学部・二部電気工学科, 専任講師 (30251672) ; 木倉 宏成 東京工業大学, 原子炉工学研究所, 助手 (00302985)
• Keywords: 流体力学 / 河川 / UVP / 超音波パルスのドップラ効果 / フローマッピング / GPS / 超音波 / 流れ場モニタリング

Research Abstract

超音波パルスのドップラ効果を利用した気泡流の瞬時流速分布を計測するシステムを,土砂が混入している河川水等の環境流動計測システムに発展させ,河川や汚染水の浄化設備の高度化に資することを目的とし,以下の研究課題に取り組み,高精度環境流動計測システムの開発を行った.
(1)河川水に含まれる土砂等が超音波パルスの反射体として利用できるか否かを調べ,利用できない場合には空気等を気泡として注入する技術を確立する.
(2)河川など比較的広範囲な環境流動場に対する流量計測に適した流れ場モニタリング・システムとして、UVPを用いたフローマッピング法を応用し、かつこれに高精度位置認識システム(GPSシステム)を融合することによって大規模流れ場監視システムに適用する.
その結果,以下のことを明らかにするとともに次年度以降の研究基盤を構築した。
(1)2つの物質の音響インピーダンスが大幅に異なると超音波の透過性は低くなるが,透過性に対する超音波入射角と周波数は非線型な特性を有する.このことを利用して,金属の種類と壁厚に対する超音波パルスの透過性について入射角と周波数の関係を解明する実験を行い,その成果を基にして金属配管に対する超音波センサーの取付け技術を確立した.尚,金属配管内の測定には現有の超音波流速分布計(UVP)を用いるが,低周波数用に必要な超音波センサーを試作した.
(2)アクリル製円管流路内の流速分布測定を現有のUVPとレーザ・ドップラ流速計を用いて同時計測し,UVPの計測精度を調べるとともに,UVPの瞬時流速分布の計測データからオンラインで流量を求めるソフトなど流れ場計測システムとして必要なソフトを整備した.
(4)現有のUVPのみを用いたフローマッピングシステムを広領域計測用に拡張した.
(5)実際の河川において、二次元フローマッピングが可能であることを確認し,電磁流速計との流速比較において、良好な結果を得た。
(6)GPS位置認識システムを用いたフローマッピングシステムの構築とソフトウェアーの開発を行い,現有のUVPシステムと融合した.

Research Products

• [Publications] 和田守弘, 山中玄太郎, 大司毅志, 木倉宏成, 有冨正憲: "UVPの河川への適用に関する研究"日本流体力学会年会2001講演論文集. 63-64 (2001)
• [Publications] Wada, S., Yamanaka, G, Taishi, Kikura, H., Aritomi, M.: "Study on the Application of UVP to a River Flow"Proc. of 3rd International Symposium on Environmental Hydraulics. 1-6 (2001)