1

流体工学特論

1流体計測特論流体計測特論流体計測特論

流速測定（ピトー管、熱線流速計）

Prong φ 0.2 Ceramic Tube φ 0.9

0.5

2.0

2.0

1.4

0.76 20

φ 4

流体工学特論

2ベルヌーイの定理ベルヌーイの定理ベルヌーイの定理

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）

PressureTotal

Pressure

Static

PressureDynamic

constp

=+

=+ 2

2vρ

2

流体工学特論

3ピトー管による流速測定ピトー管による流速測定ピトー管による流速測定

静圧孔

流れ

全圧孔

速度0静圧：面に直角に作用

−= 2 0

ρpptotalv

流体工学特論

4全圧管の先端形状全圧管の先端形状全圧管の先端形状

圧力孔の形状（外筒付きがよい）Re<30の場合：補正が必要

3

流体工学特論

5乱れとせん断の影響乱れとせん断の影響乱れとせん断の影響

乱れの影響 2

2 2/

=

ρ−

UuPoPom

v

せん断の影響

2q , 1.0

qD ,

083.0131.0

2Vdydq

Dd

Dρ

=>+=δ

流体工学特論

6静圧孔の影響静圧孔の影響静圧孔の影響

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）

4

流体工学特論

7静圧管の角度と測定誤差静圧管の角度と測定誤差静圧管の角度と測定誤差

球型静圧管：±104°（通常型では±5°程度

流体工学特論

8ピトー管を使う場合の注意点 2ピトー管を使う場合の注意点ピトー管を使う場合の注意点 22

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。

5

流体工学特論

9実用例実用例実用例

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

10多孔ピトー管多孔ピトー管多孔ピトー管

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

13

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

1

2

ファン内部の流れ

6

流体工学特論

115孔ピトー管55孔ピトー管孔ピトー管

23

4

1

2と3の等しい角度Φを測定速度ベクトル 4−1−5平面

( )

( )

−−

−

−

−−=

−ρ=

ρ−=

=ρ

−

ρ+=

in

ininan

in

inin

inin

non

kkppkppp

kkppVkkV

ppVkk

Vkpp

22

)(

2)(

2

2

2

2

φ

δ

5

流体工学特論

125孔ピトー管55孔ピトー管孔ピトー管

( )( )

( )( )32

54

32

54

pppp

kkkkkb

−−

=−−

=

kbは角度δの関数

あらかじめ実験を行う

n=2i=1

7

流体工学特論

135孔ピトー管の校正55孔ピトー管の校正孔ピトー管の校正

φδ=δ=

φδ=

sincossin

coscos

oz

oy

ox

VVVVVV

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

12

2122

12

22122

1)(

)(

kkkpppP

kkkpppP

total

static

−−

−+=

−−−=

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

流体工学特論

14発電機内部の流れ発電機内部の流れ発電機内部の流れ

リティニングリング

Fコイルエンド

ロータ

ステータ

コイルエンド

ファン

サブスロット ロータGap

クーラへ

クーラから

ロータ冷却風

高温空気

8

流体工学特論

15計測装置の配置計測装置の配置計測装置の配置

Ps1Ps2Ps3Ps4Ps5Ps6Ps7Ps8Ps9

Ps11Ps11

Ps10

Ps13

P51P52P53

Rotor Duct

Stator

Retaining Ring

Cooling Fan

Coil End

Hw1

Pf1

Hw2

Hw3

P54

Pt

VG1VG2VG3VG4VG5

Rotor

エアギャップ

Stator Duct

Cooling Air5-holes probe

2-holes probeHot-wire Anemometer

Pressure fluctuationStatic Pressure

Ge Anemometer

Total Pressure

流体工学特論

165孔ピトー管の設置状況55孔ピトー管の設置状況孔ピトー管の設置状況

9

流体工学特論

17発電機内部の圧力測定発電機内部の圧力測定発電機内部の圧力測定

流体工学特論

18ファン入り口周りの流れファン入り口周りの流れファン入り口周りの流れ

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

-0.1 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Cm , Cu , Cz

r/ro

Cm

Cu

Cz

10

流体工学特論

19ピトー管のまとめピトー管のまとめピトー管のまとめ

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

20乱流計測：速度変動乱流計測：速度変動乱流計測：速度変動

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

11

流体工学特論

21熱線の熱平衡熱線の熱平衡熱線の熱平衡

)(4

22

awwww

w TThdt

TgcdRI −π+∂

∂ρπ=

d

Prong

Wire element

dxx

l

Tp

Tw

Heatconduction in

Heatconduction out

Heat to cross-flow

Heat generatedHeat accumulated

流体工学特論

22ブリッジ回路ブリッジ回路ブリッジ回路

{ })(1 owow TTRR −β+=

12

流体工学特論

23線形化線形化線形化

a

fn

a

aw

TTBUA

TTThd )(

2)()Re56.024.0( 45.0 +=+=

λπ +

( ){ } noo CEBU /12 −=

0

123

4

56

78

910

0 2 4 6 8 10Velocity [m/s]

Out

put

[m/s

]

-2-1012345678910

Err

or [

%]

Velocity

Error

Hotwire No.2

流体工学特論

24線形化の問題線形化の問題線形化の問題

・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

13

流体工学特論

25熱線流速計システムとプローブ熱線流速計システムとプローブ熱線流速計システムとプローブ

流体工学特論

26センサの角度特性センサの角度特性センサの角度特性

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

-90 -45 0 45 90

α [deg]

Uef

f

)sin(cos 122122 ακ+α=effU α

14

流体工学特論

27角度特性確認方法角度特性確認方法角度特性確認方法

多線式の場合、相対角度の確認が必要

流体工学特論

28時系列計測時系列計測時系列計測

0 50 100 150 200 250 300 350 400Time (ms)

応答周波数：5kHz～10kHzカタログ：100kHzSN比 80dB

15

流体工学特論

29多線プローブ多線プローブ多線プローブ

Prong φ 0.2 Ceramic Tube φ 0.90.

5

2.0

2.0

1.4

0.76 20

φ 4

渦度や速度分布の計測

流体工学特論

30二次元噴流の計測二次元噴流の計測二次元噴流の計測

260

Blower

Diffuser Settling chamber

Blower

Diffuser Settling chamber Contraction

Parallel run-upsection

Windbreaking wall

Traverse Unit

WallLoud speaker (B)

Test section

Loud speakers (A)

150

10

840

1160 1000

X-wire

Reference probe

30

220 500 1260 1860

400

Turbulence grid

Insulator

渦度分布の計測

16

流体工学特論

31測定結果測定結果測定結果

-3-2-10123

0 2 4 6 8 10 12 14 16X/2h

-2000-1800-1600-1400-1200-1000 -800 -600 -400 -200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

ωz2h/U

流体工学特論

32XプローブXXプローブプローブ

1

2U1

U2

u

v

+

++−+

+

++−−+

=

++−=+=

+=−=

......)1()1(281

)1(21)1(

211

2

)()(211

)(2

1 ),(2

1

22

2

2222

21

21

uve

uvee

uve

uvee

u

vuevueUUE

vuUvuU

2 ,

22121 EEvEEu −

=+

=

17

流体工学特論

33境界層測定プローブ境界層測定プローブ境界層測定プローブ

Makita, H., and Nishizawa, K., J. Turbulence 2 (2001) 012

流体工学特論

34バースト測定結果バースト測定結果バースト測定結果

18

流体工学特論

35計測例（発電機）計測例（発電機）計測例（発電機）

ゾーン通風冷却路

ゾーン通風路

ロータ

Fコイルエンド

ウェッジ

ラジアルダクト

サブスロット

流体工学特論

36発電機模擬装置発電機模擬装置発電機模擬装置

モーター

モータ制御装置 熱線流速計 位相平均回路 圧力変換機

回転パルス信号

スリップリング

ケーシングブースターファン

ベアリング

ロータ

ゾーン通風路冷却風

316

半導体圧力センサ軸方向 5点

φ297 φ520

Fコイルエンド-ロータモデル

φ360

熱線プローブ熱線プローブ

19

流体工学特論

37試験装置試験装置試験装置

流体工学特論

38測定結果と数値解析結果の比較測定結果と数値解析結果の比較測定結果と数値解析結果の比較

0

10

20

30

40

50

60

70

0 40 80 120 160 200 240 280 320 360Subslot Position θ [deg]

Axi

al V

eloc

ity C

m[m

/s]

Trigger

Subslot Position

20

流体工学特論

39測定結果と数値解析結果の比較（2)測定結果と数値解析結果の比較（測定結果と数値解析結果の比較（2)2)

0

20

40

60

80

100

120

0 30 60 90 120 150 180Subslot Position θ [deg]

Axi

al v

eloc

ity C

m[m

/s]

LESExp.

Subslot Position

流体工学特論

40熱線流速計のまとめ熱線流速計のまとめ熱線流速計のまとめ

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