熱線流速計

流 体 計 測 特 論
1
流 速 測 定
(ピトー 管 、 熱 線 流 速 計 )
Prong φ 0.2 Ceramic Tube φ 0.9
2.0
1.4
0.5
2.0
0.7
6 20
φ 4
流 体 工 学 特 論
ベルヌーイの 定 理
2
流 線 上 では 動 圧 と 静 圧 の 和 は 一 定
(エネルギー 保 存 則 の 変 形 )
ρv 2
2
Dynamic
Pressure
+
+
p
Static
Pressure
= const
Total
=
Pressure
流 体 工 学 特 論

ピトー 管 による 流 速 測 定
3
流 れ
静 圧 : 面 に 直 角 に 作 用
速 度 0
全 圧 孔
静 圧 孔
v
=
⎛
⎜
⎝
−
ρ
p p0
2 total
⎞
⎟
⎠
流 体 工 学 特 論
全 圧 管 の 先 端 形 状
4
圧 力 孔 の 形 状 ( 外 筒 付 きがよい)
Re

乱 れとせん 断 の 影 響
5
乱 れの 影 響
Pom
ρv
− Po
2
/ 2
⎛
= ⎜
⎝
u
U
⎞
⎟
⎠
2
せん 断 の 影 響
δ
D
= 0.131+
0.083
d
D
,
D
q
dq
dy
> 0.1, q =
ρ
2
V 2
流 体 工 学 特 論
静 圧 孔 の 影 響
6
静 圧 孔 : 流 れが 平 行 に 流 れている 必 要 がある。
先 端 から 圧 力 孔 までの 距 離 : 直 径 Dの10 倍
(6D+8Dのケースもある)
流 体 工 学 特 論

静 圧 管 の 角 度 と 測 定 誤 差
7
球 型 静 圧 管 :±104°
( 通 常 型 では±5° 程 度
流 体 工 学 特 論
ピトー 管 を 使 う 場 合 の 注 意 点 2
8
温 度 の 影 響 :
温 度 差 が 大 きい 場 合 は 密 度 の 補 正 が 必 要 。
圧 力 計 の 応 答 特 性 :
圧 力 測 定 の 場 合 と 同 様 、 導 管 の 応 答 特 性 の 影 響 をう
ける。 一 般 的 な 計 測 ではΦ0.5mm 以 下 のチューブは
使 用 しない。また、チューブの 長 さは 極 力 短 くする
。
1mmのチューブを1m 程 度 延 長 した 場 合 、3 分 程 度 の 時 間 が 必 要 。
流 体 工 学 特 論

実 用 例
9
• 風 洞 実 験 等 の 検 定 、 基 準 流 速 の 測 定
• 流 量 の 測 定
• 航 空 機 やレーシングカーの 速 度 測 定
ピトー 管
振 動 に 強 い
こと、 原 理
が 簡 単 なこ
とから 利 用
されている
流 体 工 学 特 論
多 孔 ピトー 管
10
• 一 般 的 なピトー 静 圧 孔 : 主 流 方 向 速 度 のみ
• 流 れの 方 向 を 調 べるには3~7 孔 が 必 要
2
ファン 内 部 の 流 れ
3
11
3つの 孔 を 有 するピトー 管 を 流 れに 挿 入
P2=P3ならば、ピトー 管 は 主 流 方 向 を 向 いている
流 体 工 学 特 論

5 孔 ピトー 管
11
2と3の 等 しい 角 度 Φを 測 定
速 度 ベクトル 4−1−5 平 面
p
p
n
( k
n
=
n −
+ k
ρV
− ki)
2
p
p
a
o
V = ( kn
ρV
− ki)
2
=
p
n
n
ρV
2
2
=
− k
2
p
2
( pn
− pi)
i
⎛
⎜
⎝
n −
=
k
n
p
i
− k
( pn
− pi)
2
ρ k
⎛
⎜
⎝
⎞
i ⎟
⎠
n
− k
⎞
i ⎟
⎠
1
φ
δ
5
2
4
3
流 体 工 学 特 論
5 孔 ピトー 管
kb
=
( k 4 − k 5)
( k 2 − k 3)
=
( p4
− p5)
( p2
− p3)
k b は 角 度 δの 関 数
12
あらかじめ 実 験 を 行 う
n=2
i=1
流 体 工 学 特 論

5 孔 ピトー 管 の 校 正
13
V
V
V
実 験 ではまずφを 設 定 し、
圧 力 差 からδを 算 出 する。
次 に 係 数 と 圧 力 差 あからVを 求 め、
最 後 にVから 各 速 度 成 分 を 求 める
x
y
z
= V
= V
= V
o
o
o
cosδcosφ
sin δ
cosδsin
φ
P
P
static
total
=
p
p
2
2
− ( p
+ ( p
2
2
k 2
− p21)
k 2 − k
1−
k 2
− p1)
k 2 − k1
Report:ホームページから 校 正 表 と 測 定 データ
を 求 め、 速 度 及 び 圧 力 を 算 出 せよ
=
1
流 体 工 学 特 論
発 電 機 内 部 の 流 れ
14
クーラへ
ステータ
コイルエンド
クーラから
ファン
リティニングリング
ロータ 冷 却 風
サブスロット
ロータGap
Fコイルエンド
高 温 空 気
ロータ
流 体 工 学 特 論

計 測 装 置 の 配 置
15
Pt
Ps13
Ps11
Ps11
Stator Duct
Rotor Duct
VG5
VG4
VG3
VG2
VG1
Stator
Ps9
Pf1 Ps8
Coil End
P53
Hw1
P52
Hw2
P51
P54
Hw3
Ps7
Ps6
Ps5
Ps4
Ps3
Ps2
Ps1
Ps10
Retaining Ring
Rotor
Cooling Fan
エアギャップ
Cooling Air
5-holes probe
2-holes probe
Total Pressure
Pressure fluctuation
Static Pressure
Ge Anemometer
Hot-wire Anemometer
流 体 工 学 特 論
5 孔 ピトー 管 の 設 置 状 況
16
流 体 工 学 特 論

発 電 機 内 部 の 圧 力 測 定
17
流 体 工 学 特 論
ファン 入 り 口 周 りの 流 れ
18
1
0.8
0.6
Cm
Cu
Cz
r/ro
0.4
0.2
0
-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5
Cm
, Cu , Cz
流 体 工 学 特 論

ピトー 管 のまとめ
19
利 点 :
測 定 精 度 0.1~1% 程 度
測 定 結 果 は 安 定 しており、 現 場 での 使 用 可
安 価 、 測 定 方 法 は 数 時 間 で 覚 えられる
問 題 点
検 査 体 積 が 大 きいため、 流 れを 乱 す 場 合 が
ある。
速 度 変 動 の 測 定 ができない。
流 体 工 学 特 論
乱 流 計 測 : 速 度 変 動
20
速 度 変 動 を 計 測 するためには、より 応 答 性
に 優 れた 計 測 器 が 必 要
熱 線 流 速 計 、LDVなど
金 属 細 線 は 温 度 によって 電 気
抵 抗 が 変 化 する
金 属 細 線 を 電 流 で 加 熱 し、 流
体 中 に 設 置 すると 流 速 に 応 じ
て、 細 線 の 温 度 が 変 化 する
加 熱 電 流 と 流 速 の 関 係
流 体 工 学 特 論

熱 線 の 熱 平 衡
21
Wire element
d
x
dx
T p
T w
Heat
Prong
Heat generated
Heat accumulated
l
conduction in
Heat
conduction out
Heat to cross-flow
I
2
R
w
=
πd
cwgρ
4
2
w
∂T
∂t
w
+ πdh(
T
w
−T
a
)
流 体 工 学 特 論
ブリッジ 回 路
22
R
w
= R
o
{ 1+ β(
Tw
−To)
}
流 体 工 学 特 論

線 形 化
23
dh
= (0.24 + 0.56Re
λ
1/
= Bo E
2 − Co
( T T
)
2Ta
π 0.45 w +
U
{ ( )} n
a
)
n Tf
= ( A + BU )
T
a
Output [m/s]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
Velocity
Error
Hotwire No.2
0 2 4 6 8 10
Velocity [m/s]
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
-1
-2
Error [%]
流 体 工 学 特 論
線 形 化 の 問 題
24
・ 熱 線 流 速 計 : 相 対 計 測
( 冷 却 と 電 流 の 関 係 :Re 数 、 線 径 、 風 速 )
・ 必 ず 校 正 と 線 形 化 が 必 要
・メーカーの 校 正 表 での 使 用 は 誤 差 大
必 ず 自 分 で 校 正 する
→ 実 験 前 と 実 験 後
に 校 正 を 行 う
流 体 工 学 特 論

熱 線 流 速 計 システムとプローブ
25
流 体 工 学 特 論
センサの 角 度 特 性
26
Ueff
2
2
= (cos α1
+ κ sin α1)
2
2
α
1.2
1
0.8
Ueff
0.6
0.4
0.2
0
-90 -45 0 45 90
α [deg]
流 体 工 学 特 論

角 度 特 性 確 認 方 法
27
多 線 式 の 場 合 、 相 対 角 度 の
確 認 が 必 要
流 体 工 学 特 論
時 系 列 計 測
28
0 50 100 150 200 250 300 350 400
Time (ms)
応 答 周 波 数 :5kHz~10kHz
カタログ:100kHz
SN 比 80dB
流 体 工 学 特 論

多 線 プローブ
29
渦 度 や 速 度 分 布 の 計 測
Prong φ 0.2 Ceramic Tube φ 0.9
2.0
1.4
0.5
2.0
0.7
6 20
φ 4
流 体 工 学 特 論
二 次 元 噴 流 の 計 測
30
渦 度 分 布 の 計 測
Windbreaking wall
Traverse Unit
Blower
Loud speakers (A)
150
Parallel run-up
section
10
1160 1000
X-wire
Reference probe
840
Diffuser Settling chamber Contraction
30
Test section
Loud speaker (B)
Wall
220 500 1260 260 1860
Turbulence Insulator
grid
400
流 体 工 学 特 論

測 定 結 果
31
3
2
1
0
-1
-2
-3
0 2 4 6 8 10 12 14 16
ωz2h/U
X/2h
-2000-1800-1600-1400-1200-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000
流 体 工 学 特 論
Xプローブ
32
v
U 1
2
U
E1
=
=
1
=
1
( u − v),
2
U
2
1
+ eU
2
2
U
=
=
⎛ 1
⎜1
+ e − (1 − e)
u ⎜ 2
⎜
2 ⎜ 1 ⎧
⎜ ⎨e
+ 2(1 − e)
⎝ 8 ⎩
2
1
2
v
u
v
u
1
( u + v)
2
( u − v)
2
+ e(
u + v)
U 2
1 ⎛ v ⎞
2 ⎞
+ (1 + e)
⎜ ⎟ + ⎟
2 ⎝ u ⎠ ⎟
2 ⎟
⎛ v ⎞
2⎫
+ (1 + e)
⎜ ⎟ + ⎟
⎬ ......
⎝ u ⎠
⎟
⎭ ⎠
2
u
E
u =
1
1 + E 2 E 1 − E 2
2
,
v =
2
流 体 工 学 特 論

境 界 層 測 定 プローブ
33
Makita, H., and Nishizawa, K., J. Turbulence 2 (2001) 012
流 体 工 学 特 論
バースト 測 定 結 果
34
流 体 工 学 特 論

計 測 例 ( 発 電 機 )
35
ウェッジ
ラジアルダクト
ゾーン 通 風 冷 却 路
Fコイルエンド
ゾーン 通 風 路
サブスロット
ロータ
流 体 工 学 特 論
発 電 機 模 擬 装 置
36
ブースターファン
ケーシング
半 導 体 圧 力 センサ
軸 方 向 5 点
スリップリング
Fコイルエンド-
ロータモデル
モーター
φ360
φ297
φ520
ロータ
ベアリング
熱 線 プローブ
ゾーン 通 風 路
316
熱 線 プローブ
冷 却 風
回 転 パルス 信 号
モータ 制 御 装 置 熱 線 流 速 計 位 相 平 均 回 路 圧 力 変 換 機
流 体 工 学 特 論

試 験 装 置
37
流 体 工 学 特 論
測 定 結 果 と 数 値 解 析 結 果 の 比 較
38
Axial Velocity Cm [m/s]
70
60
50
Subslot Position
40
30
20
10
Trigger
0
0 40 80 120 160 200 240 280 320 360
Subslot Position θ [deg]
流 体 工 学 特 論

測 定 結 果 と 数 値 解 析 結 果 の 比 較 (2)(
39
120
100
LES
Exp.
Axial velocity C m
[m/s]
80
60
40
20
0
Subslot Position
0 30 60 90 120 150 180
Subslot Position θ [deg]
流 体 工 学 特 論
熱 線 流 速 計 のまとめ
40
利 点 :
測 定 精 度 1% 程 度 ( 校 正 が 重 要 )
空 間 分 解 能 ・ 時 間 分 解 能 に 優 れている
小 型 で 装 置 内 部 の 計 測 も 可 能
問 題 点
ピトー 管 に 比 べて 高 価
温 度 ・ 湿 度 等 に 対 する 変 化 が 大 きく、 校 正
結 果 に 精 度 が 依 存
ノウハウが 多 く、 習 熟 に 時 間 がかかる
流 体 工 学 特 論