KAGA Takuya

KOJIMA Koryo

YASUDA Akihito

加賀 拓也

安田 明史

小嶋 高良

English

YASUDA, Akihito

8615

安田, 明史

ヤスダ, アキヒト

小嶋, 高良

1515

コジマ, コウリョウ

KOJIMA, Koryo

KAGA, Takuya

3777

加賀, 拓也

カガ, タクヤ

Hachinohe Institute of Technology Repository / 八戸工業大学学術リポジトリ

高速水流中における振動円柱まわり流れの画像解析安 田 明 史*。小 嶋 高 良**。加 賀 拓 也***IInage Analysis of Cavity Flow Around anOscillating Circular CylnderAkihito YASUDA,Koryo Ko」IMA and Takuya KAGAAbstractIInage analysis of cavity now around an oscillating circular cylinder was performed  ln thisexperilnent erects of oscillation On the unsteady cavity n。、v around a fre ly Oscillating circularcylinder were investigated at Reynolds numbers frOm 1 50×105 t。 186×105  A high―speeddigital video camera was used to take motion pictures of cavity configurations at 1000 frames/sec  Characteristics of cavity can be cOntrolled considerably for some oscillating cyhndersCavity volume and Amplitude of a cylinder and Strouhal number were measured through thehigh―speed motion picturesX9y ψοrFs i Cavitation,oscillation,circular cylnder,high speed liquid now,Image analysis1.緒 言 2.主な記 号液体機械を扱う分野において,機器の高性能化に伴う小型高速化によるキャビテーションの発生に関する問題は基本的重要課題となっている。しかし,その流れは複雑で詳細なメカニズムは未だ十分に解明されていない1)。一方,高速流体中にある物体は振動を伴うのが一般的で,液流の場合はそれにキャビテーションの発生が付加される。本研では基本的形状である円柱を取り上げ,これが振動しながらキャビテーションを発生する様相を高速度ビデオカメラを用いて撮影し,画像解析を行った。次に, この画像をもとにキャビテーションの発生と振動円柱の相関について検討した。平成 14年12月26日受理*大学院工学研究科機械システムエ学専攻博士前期課程 。1年*ホ 機械情報技術学科・助教授帯■機械情報技術学科・教授D:供試円柱直径′:支持円柱直径′:空洞長さ買σ:レイノルズ数 =フ7/υγ:主流速度ρ″:使用水の相対密度συ:水の蒸気圧に基づくキャビテーション係数=(鬼―P)/[(1/2)pυ2]3.実験装置および実験方法3.1 実験装置実験には落下式回流水槽を使用した。その測定部寸法は縦200 mm,幅413 mm,長さ800mmである。図 1に供試円柱の概略図を示す。直径 16および20 mmの片持ち梁形式支持円柱に外径30 mm,内径 26 mmのカラーを装着させている。1八戸工業大学紀要 第22巻2.OmmV=Om/sS鷺、武熊(lolZ漁ミ'Fig l Test BodyTablel  Tぅアpes of coHarsSymbolMaterialRelative densityprCu Copper 862Br Brass 843Ti Titanium 45Al Aluminum 275Ny Plastic Nylon115101Pn Polyethylene+Plastic Nylon092Po Polyethylene084Pf Paulowniatt FRPカラーの材質 とその物性値を表 1に示す。本研では水の相対密度に近いカラーの挙動を中心に検討した。なお,表中で,Pf:FRPで表面を加工した桐材,Po:ポリエチレン加工,Pn:ポリエチレン硬質ナイロンによる力日工である。Pnはカラーの外側12mmをポリエチレン,残りをプラスチックにして'ヒ重を1に近づけたものである。これは浮力と重力の影響が少ない状態でキャビテーシヨンの挙動を調べようとの動機からである。3.2 実験条件実験条件を表2に示す。キャビテーション発生が安定直後の段階をR91,十分発達した段階Table 2 Experilnental conditionSymboF? συ 7[m/s]買σ] 150×105 202 902Rめ 186×105 143 1023をRe2とし,これら2段階で実験した。3.3 実験方法実験は支持円柱にカラーをセットし,測定部下流側の弁開度を所定の流速になるまで開いて安定状態を保つた。円柱およびキャビテーション部分は3台のライトで照明され,ハイスピードビデオカメラにより1,000F/sで撮影された。4.解析 方 法撮影画像はヨントロールユニットを経由しMOからパソコンに保存され,フォト・ショプを用いカラー中心移動距離 ズ Iーアが浪J定される。次にソフト「AVS」を用い空洞面積,空洞長さが求められる。更にAVIクリエイターにより動画化され,その流れからカルマン渦の発生頻度とストローハル数が求められる。またソフト「フローベック32」により速度ベクトル画像が求められる。最後にこれらのデータからソフト「オリジン」により変位 χ,y,空洞面積,空洞長さのパワースペクトルが求められる。5,実験 結 果図2に支持円柱直径が16 mm,カラーがPnとCuの場合のキャビテーション流れ模様の比較を示す。図中の矢印は濃度相関法による速度ベクトルを表している。P夕′′の相対密度は約 10で使用液の水 とほぼ等しい。ttιlではPnの場合,キャビテーションは振動円柱の上下を含む背面全体かD2高速水流中における振動円柱まわり流れの画像解析 (安田・小嶋・加賀)買91,D=30 mm ブ=16 mm買め,D=30 mm ′=16 mmFig 2  Fiow patterns and velocity vectorPnら激しく発生し,大きな空洞を形成する。一方,Cuの場合は渦発生の1サイクル中,キャビテーションの発生がほとんど見られないか,あるいは極めて僅少である。後者の場合,相対密度が約8,6であり,振動円柱自体の運動による変位量が極めて少ないことが特徴的である。両者の差異の理由としては,助の場合,振動円柱背後の交番発生渦の圧力不均衡による振動円柱の運動変位量が大きくなるが振動円柱に追従性があるため,振動円柱表面での相対速度が大になり, これが大なるキャビテーション発生量に関係すると考えられる。逆に買めの場合はCuの方が全体的にキャビテーション発生による空洞が大きくなる。これはPnの場合,空洞発生に基づ くストラハル数が017とイ氏下する(後述)のヤこ対しCuはo2となっており,相対密度の大きいCu製の振動円柱背後の交番発生渦による圧力不均衡に基づく振動円柱の運動の速度が大きく,振動円柱表面での水の相対速度が大になるためキャビテーション発生が激しくなると考えられる。即ち,振動円柱の慣サL力の影響が大になることが,空洞発生模様の違いに表れると思われる。図3には無次元空洞面積の密度による変化を示す。相対密度変化による影響 は支持円柱が 16???12468Relative density ρ「Fig 3 Cavity volume ttη10mmの場合,この値が大と小の付近で見られ,p「=1.0近傍で急激に大きな値を示す。これは振動円柱の運動の抵抗となる重力と浮力の影響が少ないことと空洞が前方岐点寄りから発生していることに起因する。Cuの場合は空洞面積が極めて小さくなるが, これは部分噛空洞が断続的に発生することによると考えられる。しかし,こうした変動の傾向は支持円柱が20 mmの場合は部分的に異なっているが,その理由は現時点では明白でない。図4には振動円柱中心点の,主流と直角方向の振幅の,密度による変化を示す。全体的に相対密度が小なるに従い増大の傾向を示すが,これも使用水と密度がほば等しい p″31620◆NyBrCu1620PnCuAlT土 Br﹇??﹈????????????1.20.80.42468Relative density /クrFig 4 AInplitude of cylinders100.280.240.200。16 2468Relative density ρ「Fig 5  Strouhal number D=1611ュm=10で急激に増大する。この理由は空洞面積と同様である。なお,この場合は両支持円柱共に同じような傾向を有する。図5には振動円柱背後の渦に集中したキャビテーションの発生個数を高速度連続写真から読み取ったス トラハル数の密度による変化を示八戸工業大学紀要 第22巻10す。全体的には ρTの減少に従い低下し,p″=1で急激に落ち込む。即ち,既述の理由による揺動振幅の急激な増大により無次元周波数の急減が発生する。また,図中買ぬでCuが抜けているが,これはキャビテーションがほとんど発生しておらず視認出来なかったためである。6。 結  言高速水流体中に置かれた自由振動円柱まわりに発生するキャビテーション流れを実験的に検討した。得られた結論を要約すると以下のようになる。(1)振動円柱の密度が使用水 とほぼ等しい10で振動円柱の振幅は急激に増大し,それに従い空洞面積も増大する。(2)同時に渦に集中したキャビテーションの発生によるストラハル数の値は急減する。(3)R9=買21,支持円柱直径が16 mm,銅製振動円柱の場合,キャビテーションの発生が極端に抑制される。最後に元,本学院生 (現在オリンパス光電子k,k。)佐々 木孝行氏の助力に深謝する。文  献1)Kaga,T,Sega,S,and Ota,T,ASME 2000Fluids Eng DSヽ/1(2000)FEDSヽ′12000-110320RelRe2Ti??Pn????????????4

Image Analysis of Cavity Flow Around an Oscillating Circular Cylinder

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高速水流中における振動円柱まわり流れの画像解析

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