可 視 化 情 報Vo1.23 Supp1. No.1 (2003年7月)

B106傾 斜 回転切 断 面 を もつ 円管か ら流 出す る噴流*

中島 正 弘,田 畑 隆英(鹿 児 島高専),李 輝,野 崎 勉(鹿 児 島大学)

Jet Flow Issuing from Rotating Circular Pipe

with Inclined SectionMasahiro NAKASHIMA, Takahide TABATA, Hui LI and Tsutomu NOZAKI

ABSTRACTBy using the method of the flow visualization and the wavelet multi-resolution method,

the water jet flow issuing from the rotating circular pipe with the inclined section has been studied. The bird-eye views of large-scale structure in the jet cross-section were constructed by applying a volume rendering method to the images of the large scale structure of the jet (the sum of wavelet levels 1 and 2) in layers in the wavelet multi-resolution analysis. In order to clarify the change with the time of the jet diffusion, the large-scale structure of the jet has been investigated in the cases of various rotating speeds of the pipe and inclined angles of the section. As a result, it has been found that the jet diffusion is affected by the inclined angle and the rotating speed of the pipe.Keywords: Jet, Incliend section, Wavelet multi-resolution analysis

1.緒 論

噴流は流体機械や燃焼装置な ど工業的に広範囲に応用

されてお り,流 れは三次元の大規模な渦構造によって支

配 されている,噴 流の拡散制御に関する研究の一環 とし

て,円 管を斜めに切断 し,か つ回転する円管から流出す

る噴流について,切 断面の角度や円管の回転数を種々変

化させて,レ ーザー誘起蛍光法による流れの可視化およ

びウェーブ レット多重解像度解析を行い,噴 流中に含ま

れる渦の構造を大きなスケールか ら小さなスケールまで

6段 階のスケールに分解 した.そ の中から噴流の拡散に

大きな影響を与えると思われる大規模な渦構造のスケー

ルのみを再構成して抽出し,その時間変化を調べ,Taylor

の仮説を用いて,噴流の3次 元渦構造を鳥瞰図に表 した.

2.実 験装置 およ び方法

2.1ウ ェーブ レット多重解像度解析

本研究では,画像の ウェーブ レット多重解像度解析に,

直交かつ滑らかでコンパク トなサポー トをもつ20次 の

Daubechies基 底 を用いた.解 析は,既 報 と同様の手順

で行われるので,こ こでは説明を省略する.

2.2実 験装置および流れの可視化法

本研究における円管の傾斜切断面の概略図および座標

系を図1に 示す.回 転する傾斜切断面をもつ円管の先端

が形成する面の中心に原点0を とり,傾 斜切断面とX軸

(流れの下流方向)と のなす角をBと する.本 研究にお

いて,θ=30゜,45゜,60゜ および通常の円管(θ=90゜)

の4種 類の円管を用いた.

次に,可 視化実験装置の概略を図2に 示す.ポ ンプで

汲 み 上 げ られ た 水 は,内 径d=20mmの 円 管 か ら水 位 が 一

定 に保 たれ た 水 槽 内 に 流 出 す る.水 に は 可視 化 の た め に

ロ ー ダ ミン6Gが 予 め 混 合 され て い る.円 管 の 長 さは そ

の 内径 の60倍 で あ り,流 れ は十 分 に 発 達 して い る.円 管

出 口にお け る最 大 流 速 お よ び 円管 の 内 径 に基 づ く レイ ノ

ル ズ数 は約2,800で あ る.水 槽 上 部 に設 置 され た15mJ

の ダ ブル パ ル スNd:YAGレ ー ザ ー か ら下 流 位 置x/d=5に

レー ザ ー ライ トシー トを 照 射 し,LIF法 に よ り噴 流 の 直

Fig.1 Coordinate System

Fig.2 Experimental Apparatus

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Fig.4 Wavelet Multi-resolution Analysis

裁 断 面 を撮 影 す る.可 視 化 画 像 は 水 槽 の 後 方 に 設 置 され

たCCDカ メ ラ に よ り撮 影 され,レ ー ザ ー ビデ オ デ ィ ス

ク装 置 に 記 録 され,パ ソコ ン に よ り画 像 処 理 され る.な

お,円 管 の 回 転 数 はn=0お よび6rpmで あ る.

3.実 験結果 および考察

噴流に含まれる大規模渦構造の時間的変化を調べるた

め,鳥 瞰図を作成 した.ま ず,図3に 示すある瞬間にお

けるx/d=5の 噴流直裁断面の可視化画像についてウェー

ブ レット多重解像度解析を行い,図4(a)お よび(b)に 示

すウェーブレッ トレベル1お よび2を 求めた.次 に,図

4(c)に 示す これ らの合成画像を,テ イラーの仮説に基づ

き,ボ リュームレンダ リング法により31枚(す なわち1

秒間)積 層 して作成された,噴 流の大規模渦構造の鳥瞰

図を図5(a)か ら(e)に 示す.色 の変化はウェーブ レット

係数を示 しており,緑 色が噴流外縁部に相当する.

通常の回転 しない円管から流出する噴流の流れの構造

を図5(a)に 示す.噴 流主流の幅は比較的小さく,そ の外

縁部に流れ方向に軸を有する小さな縦渦が存在 し,こ の

断面内を次々と通過 していることがわかる.次 に,回 転

しない30゜ の傾斜切断面 もつ円管から流出する噴流の

場合を図5(b)に 示す.噴 流幅は通常の円管 より僅かに広

くな り,縦 渦のスケール も僅かに大きくなることがわか

る.さ らに30゜ の傾斜切断面を持ち6rpmで 回転する場

合を図(c)に 示す.噴 流幅はますます大きくな り,縦 渦は

回転 しない場合よりも多 くなることがわかる.こ こで,

本報告では図示していないが,切 断角が45゜ および60゜

の場合も同様に,円 管を回転 させない場合 より回転 させ

た方が噴流幅は広くなることが確認 されている.

今度は,円 管を6rpmで 回転させた場合の,円 管の傾斜

切断面の角度の影響について考察する.図5(c)か ら(e)

を比較すると,噴 流幅および縦渦の大きさは45゜ の場合

は30。 よ り大 き く な る が,60゜ の場 合 は 通 常 の回 転 しな

い 円管 とそ れ ら と ほ ぼ 同 じで あ る こ とが わ か る.

Fig.5 Bird-Eye Views of Wavelet Analysis

4.結 論

回転する傾斜切断面を有する円管から流出する噴流に

ついて,レ ーザー誘起蛍光法により流れを可視化し,ウ

ェーブレッ ト多重解像度解析により,大 規模な渦構造の

みを抽出し,そ の時間変化をテイラーの仮説に基づき,

鳥瞰図を作成 した.そ の結果,傾 斜切断面の角度や円管

の回転数は,噴 流内の大規模な渦構造に相違をもた らし,

噴流の拡散に影響を与えることが明らかになった,

参 考 文 献

1) Nakashima, M. Li, H., Tabata, T., and Nozaki, T.: Study

on Jet Flow Issuing from Pipe with Rotating Inclined

Section, Proceedings of the 4th ASME•EJSME Joint Fluids

Eng. Conference (2003) CD-ROM.

2) 中 島 正 弘, 李 輝, 田畑 隆 英, 野崎 勉: 回転 傾 斜 切

断 面 を もつ 円 管 か ら流 出 す る 噴 流, 第30回 可 視 化 シ ン ポ

ジ ウム 講 演 論 文 集, Vo1. 22, No. 1 (2002) pp. 219-220.

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