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Specification :流体移送装置及び流体移送方法

Country 日本国特許庁(JP)
Gazette 特許公報(B2)
Patent Number 特許第5105292号 (P5105292)
Date of registration 平成24年10月12日(2012.10.12)
Date of issue 平成24年12月26日(2012.12.26)
Title of the invention, or title of the device 流体移送装置及び流体移送方法
IPC (International Patent Classification) F17D   1/14        (2006.01)
F15D   1/02        (2006.01)
F16L  55/00        (2006.01)
FI (File Index) F17D 1/14
F15D 1/02 C
F16L 55/00 G
Number of claims or invention 7
Total pages 17
Application Number 特願2009-536063 (P2009-536063)
Date of filing 平成20年10月1日(2008.10.1)
International application number PCT/JP2008/067802
International publication number WO2009/044764
Date of international publication 平成21年4月9日(2009.4.9)
Application number of the priority 2007259187
Priority date 平成19年10月2日(2007.10.2)
Claim of priority (country) 日本国(JP)
Date of request for substantive examination 平成22年7月28日(2010.7.28)
Patentee, or owner of utility model right 【識別番号】504132881
【氏名又は名称】国立大学法人東京農工大学
Inventor, or creator of device 【氏名】岩本 薫
【氏名】河村 洋
Representative 【識別番号】100122884、【弁理士】、【氏名又は名称】角田 芳末
【識別番号】100133824、【弁理士】、【氏名又は名称】伊藤 仁恭
Examiner 【審査官】渡邉 洋
Document or reference 特開平11-315999(JP,A)
特許第2802820(JP,B2)
特開2005-016476(JP,A)
特開平11-109078(JP,A)
特公平04-068520(JP,B2)
特公平04-045688(JP,B2)
特公平02-050360(JP,B2)
Field of search F17D 1/14
F15D 1/02
F16L55/00
Scope of claims 【請求項1】
管路と、
前記管路内を流れる流体の速度を変化させて前記流体に脈動を発生させる手段と、を備え、
前記脈動を発生させる手段が、
前記管路内に設けられている前記管路内の前記流体を加圧して速度を変化させる加圧手段と、
前記加圧手段を駆動する駆動手段と、
前記駆動手段を制御し前記流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、前記流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御することによって乱流状態の前記流体を層流化させる制御手段と、を有する
ことを特徴とする流体移送装置。
【請求項2】
前記脈動を発生させる手段は、前記流体の速度を減速するときに前記流体からエネルギーを回収することを特徴とする請求項1に記載の流体移送装置。
【請求項3】
前記駆動手段に接続された蓄電手段を備えることを特徴とする請求項2に記載の流体移送装置。
【請求項4】
前記流体の速度を減速するときに、前記蓄電手段に前記流体からエネルギーを回収することを特徴とする請求項3に記載の流体移送装置。
【請求項5】
管路内を流れる流体を加圧することにより、前記流体の流速の加速と減速とを繰り返し、前記流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、前記流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御して前記流体を脈動させ、乱流状態の前記流体を層流化して移送することを特徴とする流体移送方法。
【請求項6】
前記流体を減速するときに前記流体からエネルギーを回収することを特徴とする請求項5に記載の流体移送方法。
【請求項7】
前記流体を減速するときに、前記管路内に設けた加圧手段と駆動手段とにより発電し、前記駆動手段と接続した蓄電手段に蓄電することを特徴とする請求項6に記載の流体移送方法。
Detailed description of the invention 【技術分野】
【0001】
本発明は、管路内を流れる流体を移送するための流体移送装置及び流体移送方法に関する。
【背景技術】
【0002】
パイプライン輸送等による流体の移送において、移送する際の流体のエネルギー損失を抑制する技術が提案されている。
例えば、流体が流れる管路内に、リブレットと呼ばれる微小な突起を管の内壁に貼り付け、又は、管の内壁を微小な突起に加工することによって形成し、管の内壁と流体との摩擦抵抗係数を低減する方法が提案されている(例えば、非特許文献1参照)。
【0003】
また、管路内を流れる流体に対してポリマーを添加することにより、管の内壁と流体との摩擦抵抗係数を低減する方法が提案されている(例えば、非特許文献2参照)。

【非特許文献1】M.J.walsh, AIAA Paper, 82-0169 (1982)
【非特許文献2】P.S.Virk, AiChE J., 21, 625 (1975)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、管の内壁にリブレットを形成する方法では、最大でも8%程度しか摩擦抵抗を抑制することができない。また、リブレットが微小な突起であるためゴミ等が付着しやすく、ゴミ等が付着した場合には、抵抗を低減するという効果がなくなってしまう。このため、管の内壁にリブレットを形成する方法は、実用化には至っていない。
【0005】
また、流体にポリマーを添加する場合には30%程度の抵抗低減率が得られる。しかし、この方法は、ポリマーを添加することが可能な石油等の液体を移送する場合に、適用できる範囲が限定されてしまう。また、添加されたポリマーは、ガソリン等の最終製品においても混入されたままとなるため、内燃機関の性能が低下する等の問題がある。
【0006】
上述した問題の解決のため、本発明においては、液体や気体等の状態に係わらずに適用でき、エネルギー損失を低減することが可能な流体移送装置及び流体移送方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の流体移送装置は、管路と、管路内を流れる流体の速度を変化させて流体に脈動を発生させる手段とを備え、脈動を発生させる手段が、管路内に設けられている管路内の流体を加圧して速度を変化させる加圧手段と、加圧手段を駆動する駆動手段と、駆動手段を制御して、流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御することによって乱流状態の流体を層流化させる制御手段とを有することを特徴とする。
【0008】
また、本発明の流体移送方法は、管路内を流れる流体を加圧することにより加速と減速
を繰り返し、流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、流体の加速期間と減速期間との圧力勾配差を制御して流体を脈動させて移送することを特徴とする。
【0009】
本発明の流体移送装置及び流体移送方法によれば、管路内を流れる流体に速度変化を与えて脈動させることにより、管路と流体との壁面摩擦抵抗が少ない状態を作り出すことができる。
【発明の効果】
【0010】
本発明によれば、脈動させなければ乱流状態にある管路内の流体に対し、脈動させることで摩擦抵抗を軽減させることができるため、少ないエネルギーで流体を移送することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0011】
【図1】A,Bは、本発明の一実施の形態に係わる流体移送装置の概略図である。
【図2】流体の駆動圧力の波形特性を示す図である。
【図3】シミュレーションを行う計算領域を説明するための図である。
【図4】Aは、時間と流速の関係を示す図である。Bは、時間と流体の乱れの関係を示す図である。
【図5】Aは、加速時の流速分布を示す図である。Bは、減速時の流速分布を示す図である。
【図6】Aは、加速時の流速分布を示す図である。Bは、減速時の流速分布を示す図である。
【図7】壁面摩擦係数とレイノルズ数との関係を示す図である。
【図8】実験例における圧力勾配差αと脈動周期Tとの関係を示す図である。
【図9】実験例における圧力勾配差α及び脈動周期Tと、動力低減率[Rとの関係を示す図である。
【図10】実験例における圧力勾配差α及び脈動周期Tと、動力低減率[Rとの関係を示す図である。
【図11】実験用の循環管路の概略構成を示す図である。
【符号の説明】
【0012】
11 管路
12,21 ポンプ
13 モータ
14 インバータ
15 電源
16 蓄電池
20 循環管路
22A,22B 圧力計
23 試験区間
24 流量計
25 空気孔
26 給水孔
【発明を実施するための最良の形態】
【0013】
本発明の一実施の形態に係わる流体移送装置を説明するための概略図を図1に示す。
図1Aは、流体移送装置において管路内を流れる流体を加速させている状態を示し、図1Bは、管路内を流れる流体を減速させている状態を示す。
【0014】
図1A,Bに示す流体移送装置は、流体が流れる管路11と、この管路11内を流れる流体の速度を変化させて脈動を発生させる手段とから構成される。そして、この脈動を発生させる手段として、管路11内に設けられた流体を加速させるための加圧手段であるポンプ12と、ポンプ12を駆動するための駆動手段であるモータ13が備えられる。また、このモータ13を制御するための制御手段としてインバータ14が備えられる。さらに、モータ13を駆動するため、インバータ14を介してモータ13に電力を供給する電源15と蓄電池16とを備える。
【0015】
上述の流体移送装置において、管路11内の流体を加速する際には、図1Aに示すように、電源15及び蓄電池16からインバータ14を介してモータ13に電力を供給する。そして、モータ13を駆動することにより、ポンプ12内に設けられた羽根状の回転子を回転させて管路11内の流体に駆動圧力を加える。
このように、管路11内の流体に駆動圧力を加えることにより、流体を加速することができる。
【0016】
また、流体を減速させる際には、モータ13を停止して流体へ駆動圧力を止める。そして、図1Bに示すようにポンプ12内に設けられた回転子を流体の抵抗として作用させて流体を減速することができる。
また、減速する際に、管路11内において抵抗として作用させたポンプ12内の回転子が、管路内の流体を流れによって回転することにより、モータ13を発電機として利用することができる。このため、ポンプ12及びモータ13により流体の運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、蓄電池16に蓄えることができる。
このように流体移送装置に蓄電池と発電手段を備えることで、流体移送において減速する際の流体のエネルギーを回収し、回収したエネルギーを再び流体を加速する際に利用することができる。このため、より少ないエネルギーで流体を移送することができる。
【0017】
上述のように流体を加速状態と減速状態とに変化させることで、流体を脈動させることができる。このとき、モータ13をインバータ14によって制御することで、流体の加速と減速とを任意に制御することができる。そして、インバータ14の制御によって、流体の加速と減速とを繰り返して行うことにより、流体の脈動を自由に制御することができる。
そして、流体の加速と減速を制御し、流体の脈動を任意に制御することにより、管路11内の脈動する流体を乱流から層流に変えることが可能である。
【0018】
上述のように、流体の加速と減速を繰り返し、流体に脈動性を与えることで流体の乱流を弱めて層流化(再層流化)する際、流体の再層流化を実現するには、流体の加速期間と減速期間の脈動周期、及び、流体の駆動圧力を制御することが特に重要である。
ここで、図2に流体の駆動圧力の波形特性を示す。図2において縦軸-dP/dxは、駆動圧力の流れ方向の平均勾配をδ/(ρuτ)で除した無次元数を表す。例えば、モータ13の駆動圧力を一定とした場合、-dP/dxは1となる。
また、δは管路11の半径[m]、ρは流体の密度[kg/m]、uτは、下記式(1)に示す摩擦速度[m/s]、τwは管壁面摩擦応力[N/m]を表す。
【0019】
【数1】
JP0005105292B2_000002t.gif

【0020】
また、図2において横軸tは、時間をδ/uτで除した無次元時間を表す。
また、αは加速時の圧力勾配をδ/(ρuτ2)で除した無次元圧力勾配、αは減速時
の圧力勾配をδ/(ρuτ2)で除した無次元圧力勾配、Tは加速期間と減速期間の繰り返し
周期における一周期の時間をδ/uτで除した無次元時間、Taは一周期の加速期間をδ/uτで除した無次元時間、Tbは一周期の減速期間をδ/uτで除した無次元時間を表す。
【0021】
図2において、縦軸-dP/dxが0より大きい期間を加速期間Taとし、0より小さい期間を減速期間Tbとする。そして、加速期間Taと減速期間Tbの合計を脈動周期Tとする。
また、図2は一周期平均の圧力勾配を1に固定した状態を示している。このため、加速期間の圧力勾配αと減速期間の圧力勾配αとの平均は1となる。そして、加速期間及び減速期間の圧力勾配差はα-αとして表すことができる。
【0022】
図2に示した波形特性のパラメータ、脈動周期T、圧力勾配差α-α、及び、加速期間と減速期間の比Ta/Tbを、流体が再層流化するための条件内とすることにより、流体を再層流化することができる。そして、各パラメータが上述の範囲内となるように、図1A,Bに示した流体移送装置の電源15、蓄電池16、モータ13、ポンプ12を制御する。これにより、管路11内の流体の再層流化を実現することができる。
【0023】
次に、下記に示す連続の式(2)と、ナビエ・ストークス方程式(3)を連立して解くことにより、乱流の直接数値シミュレーション(DNS:Direct Numerical Simulation
)を行った。このシミュレーションは、基礎方程式に特別なモデル化を加えず直接解く方法である。この方法により上述の再層流化を実現するための各パラメータの範囲を求めることができる。
【0024】
【数2】
JP0005105292B2_000003t.gif

【0025】
【数3】
JP0005105292B2_000004t.gif

【0026】
また、上記式(2)(3)において各項を以下の式(4)で示す無次元化を行った。
【0027】
【数4】
JP0005105292B2_000005t.gif

【0028】
上記式(2)(3)(4)において、各記号は以下を定義するものである。
δ:チャネル半幅
τ0:初期の壁面摩擦速度
ν:粘性係数
Reτ0:初期の摩擦レイノルズ数
【0029】
上述のシミュレーションは、日立製作所社製のスーパーコンピュータSR8000及びSR11000を用いて行った。
また、シミュレーションの計算領域を図3に示す。計算領域は、図3に示す2枚の平行平板間に流体を通すモデルに適用する。また、シミュレーションは、レイノルズ数Reτ0を110として、表1に示す領域及び格子点数で行った。
【0030】
【表1】
JP0005105292B2_000006t.gif

【0031】
また、上述のシミュレーションにおいて空間微分の近似及び時間進行は以下の方法を用いて計算した。
(計算法)
時間進行 粘性項:2次精度Crank-Nicolson法
対流項:4次精度Runge-Kutta法
空間離散化 x,z方向:フーリエスペクトル法
y方向:チェビシェフ・タウ法
境界条件 x,z方向:周期境界
y方向:滑りなし
【0032】
上述のシミュレーションを下記の実験例1で示す条件によって行い、平均流速uと時間tとの関係、及び、流体の乱れkと時間tとの関係を求めた。図4にこのシミュレーションの結果を示す。
【0033】
(実験例1)
Reτ=110
脈動周期T=11.2
圧力勾配差α-α=8
Ta/Tb=1
【0034】
図4Aにおいて縦軸uは、流体の平均流速を表し、図4Bにおいて縦軸kは、流体の乱れを数値化したものである。また、図4Aにおいて破線はReτ=110の流体の定常状態での平均流速である。
また、図4A,Bにおいて横軸tは上述の無次元時間を表し、同一時間tにおいて図4Aと図4Bとを比較することにより、流体の速度と乱れの関係を表すことができる。
【0035】
図4Aに示す流体の平均流速uの増加と減少を繰り返し、脈動を開始した直後では、平均流速uの上昇とともに図4Bに示す乱れkが低下し、平均流速uの減少とともに流体の乱れkが上昇する。
そして、脈動を繰り返すことにより、ある時間から流速の増減にかかわらず流体の乱れkの値が低下してほぼ0に近い状態で安定する。このように、脈動を繰り返すことで、流体の加速や減速等の状態に係わらず流体に乱れが発生しない状態となる。図4Bにおいて、この乱れkをほぼ0で安定させた状態が、流体を再層流化した状態である。
【0036】
また、図4Aに示すように、脈動の開始直後では、加速時には流速uが上昇し、減速時には流速uが低下する。このため、流体の平均流速がReτ=110の定常状態での平均流速とほぼ同じとなる。
これに対して、脈動を繰り返した後、流体の乱れkがほぼ0で安定化した状態では、加速時、減速時にかかわらず平均流速uが、Reτ=110の流体の定常状態での平均流速以上の値を示す。そして、図4Bにおいて流体の乱れkがほぼ0で安定した後は、図4Aに示すように流体の速度uが脈動しながら上昇した状態で安定する。
つまり、流体を脈動させることにより、流体を再層流化することができ、速度uをReτ=110の流体の定常状態での平均流速以上で安定させることができる。また、流体が脈動により再層流化することで流体が流れやすくなり、定常状態の流体と同じ駆動力を加えた場合でも高い流速が得られることがわかる。
従って、図4A,Bから流体を脈動させることにより、流体を再層流化して流速が上昇することがわかる。このため、乱流状態での流体の移送に比べ、より少ないエネルギーで流体の移送が可能となる。
【0037】
次に、図5,6に上述のシミュレーションによって求められた流体の流速分布の変化を示す。図5は、上記実験例1の条件によってシミュレーションを行った結果であり、図6は下記の実験例2の条件によってシミュレーションを行った結果である。また、図5,6において、縦軸は、流体の流速uを表し、横軸は時間y方向のチャネル幅y/δを表す。
【0038】
(実験例2)
Reτ=110
脈動周期T=9.6
圧力勾配差α-α=8
Ta/Tb=1
【0039】
図5A及び図6Aは、上述の条件の流体において流速が増加した状態を示し、図5B及び図6Bは、流速が減少した状態を示す。
また、図5A及び図6Aは、流速が増加した状態において時間t/Tを1/20~10/20まで10分割し、分割したそれぞれの状態での流速分布を示している。図5B及び図6Bは流速が減少した状態において、時間t/Tを11/20~20/20まで10分割し、分割したそれぞれの状態での流速分布を示している。
【0040】
図5A,Bに示す流速分布は、ほぼ放物線を示す。流体が層流状態のとき、流速分布は放物線を示すため、図5A,Bに示す実験例1の条件では加速時と減速時ともに流体が層流化していることがわかる。
これに対して、図6A,Bは、流速分布が台形状を示す。この台形状の流速分布は乱流状態であることを示すため、実験例2の条件では、加速時、減速時ともに乱流状態であることがわかる。
【0041】
また、図5と図6において、それぞれ同一時間における流速を比較すると、壁面から離れた位置、y/δ=1付近では各時間t/Tにおいて、実験例1の流速が実験例2の流速を上回ることが分かる。なお、壁面であるy/δ=0及びy/δ=2では、実験例1、実験例2ともに流速は0である。
このように図5,6に示した結果から、実験例1の条件で流体を脈動させることにより再層流化を行うことができ、流速の増加が可能であることがわかる。
【0042】
次に、上述の実験例1及び実験例2の条件において、壁面摩擦係数Cfとレイノルズ数Reの関係についてのシミュレーション結果を図7に示す。
図7において、縦軸は壁面摩擦係数Cfの対数を示し、横軸はレイノルズ数Reの対数を示す。なお、横軸のレイノルズ数Reは管径が同じであれば速度に比例するため、図7においてReの増加は流速の増加と同じを意味を表す。
また、実験例1において脈動の一周期を22分割した位相平均を○で示し、一周期全体の平均を●で示す。同様に、実験例2において脈動の一周期を22分割した位相平均を△で示し、一周期全体の平均を▲で示す。さらに、Reτ=110の流体の定常状態での壁面摩擦係数Cfとレイノルズ数Reの関係を◎で示す。
また、図7に下記式(5)~(7)を表す。式(5)は層流曲線であり、式(6)はDeanの相関式である。
【0043】
【数5】
JP0005105292B2_000007t.gif

【0044】
【数6】
JP0005105292B2_000008t.gif

【0045】
【数7】
JP0005105292B2_000009t.gif

【0046】
図7において◎で示したReτ=110の流体の定常状態では、流体を脈動させず乱流であるため、壁面摩擦係数CfがDeanの相関式上に位置する。
【0047】
これに対して、実験例1では脈動により再層流化しているため、○で示した各位相平均が層流曲線の周囲に分布している。
また、加速区間において壁面摩擦係数Cfが減少し、さらに減速区間においても壁面摩擦係数Cfの両方で壁面摩擦抵抗が減少するという結果が得られた。
これは、図7に示した壁面摩擦係数Cfに対応する、上述の図5Bにおける壁面y/δ=0及びy/δ=2における流速分布の勾配が、減速区間において放物線よりも、やや緩やかになり、流体と壁面との摩擦係数が低下するためと考えられる。
【0048】
また、実験例2では、△で示した各位相平均がDeanの相関式の周囲に分布している。そして、加速期間において壁面摩擦係数Cfが減少し、減速期間において壁面摩擦係数Cfが徐々に増加する。また、一周期の壁面摩擦係数Cfは、平均流速がDeanの相関式に対して少し低く、Reτ=110における定常状態の壁面摩擦係数Cfよりも低い値を示すという結果が得られた。
【0049】
従って、上述の図7に示した結果より、実験例1の条件によって流体を脈動させて乱流から層流に変える(再層流化)ことで壁面摩擦係数Cfが低下し、層流と同程度の壁面摩擦係数が得られることがわかる。つまり、脈動させなければ乱流状態にある管路内の流体に対し、脈動させることで摩擦抵抗を軽減させることができる。このため、少ないエネルギーで流体を移送することが可能である。
【0050】
次に、実験例1及び実験例2の条件と同様に、脈動の条件を下記表2、表3及び表4に示すように変更してシミュレーションを行い、仕事率Wの動力低減率[R(%)及び上述の壁面摩擦係数Cfの摩擦抵抗低減率[R(%)を求めた。動力低減率は下記式(8)を用いて求めた。
また、摩擦抵抗低減率は、下記式(9)を用いて求めた。
【0051】
【数8】
JP0005105292B2_000010t.gif

【0052】
【数9】
JP0005105292B2_000011t.gif

【0053】
式(8)においてWDeanは、式(6)のDeanの相関式から算出した乱流状態での流体の仕事率である。また、式(9)においてCfDeanは、式(6)のDeanの相関式から算出した乱流状態での流体の壁面摩擦係数である。
【0054】
また、表2,3におけるDPDXaveは、下記式(10)を用いて求められる一周期平均の圧力勾配である。
【0055】
【数10】
JP0005105292B2_000012t.gif

【0056】
なお、上述の式(8)において、[W]は、下記式(11)によって求められる脈動乱流状態の流体の仕事率である。また、上述の式(9)において、[C]は、下記式(12)によって求められる脈動乱流状態の流体の壁面摩擦係数である。
【0057】
【数11】
JP0005105292B2_000013t.gif

【0058】
【数12】
JP0005105292B2_000014t.gif

【0059】
上述のシミュレーションを行った各脈動の条件と結果を表2,3に示す。
【0060】
【表2】
JP0005105292B2_000015t.gif

【0061】
【表3】
JP0005105292B2_000016t.gif

【0062】
【表4】
JP0005105292B2_000017t.gif

【0063】
上記表2は、上述の実験例1,2の条件と同様に流体の脈動周期Tを変更してシミュレーションを行った結果である。
脈動周期Tを11.2とした実験例1は、再層流化により80%近い動力低減率を達成することができた。また、実験例1では再層流化により80%程度の摩擦抵抗低減率を達成することができた。
このように、脈動周期Tを大きくすることにより、脈動による層流化が可能となり、理論上の最小値である層流の約80%の動力低減率及び摩擦抵抗低減率を達成することができる。
これに対して、脈動周期Tを9.6とした実験例2では、脈動による再層流化がおこらないため、動力低減率が13%程度、摩擦抵抗低減率が20%程度に留まる。さらに、脈動周期Tを8~3.2まで小さくした実験例3~6では、動力低減率及び摩擦抵抗低減率を実験例2と同程度以下までしか低減することができない。
このように、脈動周期Tが小さくなることにより乱流の影響が大きくなり、動力低減率及び摩擦抵抗低減率の値が小さくなる。
【0064】
また、上記表3は、上述の実験例4の条件から圧力勾配差α-αを変更し、シミュレーションを行った結果である。
実験例4の条件から圧力勾配差を小さくした実験例7及び実験例8では、動力低減率及び摩擦抵抗低減率が実験例4よりも小さくなった。このため、圧力勾配差を小さくすることにより、乱流の影響が大きくなり、壁面摩擦抵抗Cfが大きくなることが分かる。
また、実験例4の条件から圧力勾配差を大きくした実験例9及び実験例10では、脈動による再層流化がおこらないため、動力低減率が7~15%程度、摩擦抵抗低減率が20%程度に留まる。
【0065】
そして、実験例9及び実験例10の条件からさらに圧力勾配差を大きくした実験例11では、脈動による再層流化が可能となり、実験例1と同様に、80%近い動力低減率を達成することができ、また、80%程度の摩擦抵抗低減率を達成することができる。
このように、圧力勾配差α-αを大きくすることにより、脈動による層流化が可能となり、理論上の最小値である層流の値約80%の動力低減率及び摩擦抵抗低減率を達成することができる。
【0066】
また、上記表4において、実験例12は、上述の実験例1から脈動周期Tを大きくした場合のシミュレーション結果である。そして、実験例13は、上述の実験例1から圧力勾配差α-αを大きくした場合のシミュレーション結果である。
実験例12及び実験例13では、脈動により再層流化が発生した実験例1から更に脈動周期又は圧力勾配差を大きくした場合でも、脈動による再層流化がおこり、動力低減率及び摩擦抵抗低減率を大きく低減することができた。
【0067】
また、実験例14は、上述の実験例2から圧力勾配差α-αを大きくした場合のシミュレーション結果である。
実験例15及び実験例16は、上述の実験例3から圧力勾配差α-αを大きくした場合のシミュレーション結果である。
実験例14~16においては、上記表1に示した再層流化が起こらなかった実験例2及び実験例3の条件から、圧力勾配差α-αを大きくすることにより再層流化が起こり、動力低減率及び摩擦抵抗低減率を大きく低減することができた。
【0068】
以上の結果から、例えば、乱流状態の流体を再層硫化するためには、流体に与える脈動の圧力勾配差と脈動周期を大きくすることが重要であると考えられる。
図8~10に上記表2~4の結果をまとめたものを示す。
なお、図8において横軸αは圧力勾配差α-αを示し、縦軸Tは脈動周期を示す。
また、図9は、図8に示す圧力勾配差α及び脈動周期Tと、動力低減率[Rとの関係を示す。図10は、図8に示す圧力勾配差α及び脈動周期Tと、摩擦抵抗低減率[Rとの関係をしめす。
【0069】
図8に示すように、圧力勾配差αと脈動周期Tとがともに大きい実験例において、脈動による流体の再層流化が発生している。
そして、図9及び図10に示すように、脈動により再層流化が発生した実験例では、再層流化が発生していない実験例に比べて、動力低減率[R、摩擦抵抗低減率[Rともに大きな値が得られた。
従って、圧力勾配差α及び脈動周期Tを一定以上の値に大きくすることにより、流体の再層流化が可能であると考えられる。
【0070】
なお、上述のシミュレーションでは、一周期平均の圧力勾配DPDXave、及び、加速期間と減速期間の比Ta/Tbを常に1としてシミュレーションを行っている。また、加速期間Taと減速期間Taとの流体の駆動圧力の波形特性は、図2に示すような形状でシミュレーションを行っている。
DPDXaveやTa/Tbを変更することにより、また、駆動圧力の波形特性を変えることにより、流体を再層流化するための圧力勾配差αと脈動周期Tの適正値は、上記のシミュレーション結果とは異なる場合があると予測される。しかし、その場合にも圧力勾配差αと脈動周期Tを適宜変更することにより、流体の再層流化が可能となる。
【0071】
次に、実際に実験用の装置を作製して動力低減率及び摩擦抵抗低減率を測定した。
実験で使用した装置の循環管路の概略構成を示す上面図を図11にしめす。この装置は、循環管路20、ポンプ(Pump)21、圧力計(Pressure Tap)22A,22B、流量計(Flow meter)24とを備える。
循環管路20は、管の内径が20mmである。また、管路の直線部分において、圧力計22Aと圧力計22Bとの間を試験区間(Test section)23とした。
また、装置内を流れる流体は水である。水は、空気孔(Air vent)25から管路内の空気を抜きながら給水孔(Water supply)26から装置内に供給した。
【0072】
ポンプ21を駆動することにより、図面に矢印で示す方向に水を流して、管路内を循環させた。また、ポンプ21の駆動は、図2に示す波形特性と同様に、一周期平均の圧力勾配DPDXave、及び、加速期間と減速期間の比Ta/Tbを1とし、脈動周期Tを3~10sとして駆動した。
【0073】
そして、図11に示す循環管路の圧力計22Aと圧力計22Bとの間の試験区間23を2000mmとして、試験区間前後での圧力差(ΔP)を測定した。また、流量計24により、管路内を流れる流体の流量(u)を測定した。
圧力差(ΔP)及び流量(u)は、0.1sごとに測定した。
【0074】
実験により測定した圧力差(ΔP)及び流量(u)の結果を上述の式(8)及び式(9)に導入して、摩擦抵抗低減率と動力低減率を求めた。実験の結果、上記式(9)から求められる壁面摩擦係数Cfの摩擦抵抗低減率[Rは、34%であった。また、上記式(8)から求められる仕事率Wの動力低減率[Rは、26%であった。
この結果から、実験では装置と条件の最適化が充分ではないため、上述のシミュレーションで示した再層流化程の効果を得ることができていないが、流体を脈動させることにより管路と流体との壁面摩擦抵抗が少ない状態を作り出すことができ、少ないエネルギーで流体を移送することができた。
【0075】
上述した本発明は、石油や天然ガスのパイプライン輸送に代表される管内流れにおいてエネルギー消費量のほとんどを占めている乱流摩擦抵抗によるエネルギー損失を抑制し、省エネルギーに寄与することができる。
例えば、従来のパイプライン輸送においては、流体の駆動源であるポンプ等を更新することにより本発明を適用することができる。
【0076】
また、本発明は上述の石油や天然ガスのパイプライン輸送に限らず、水道管や都市ガス管などの管内流れにも同様に適用することができる。
また、地球温暖化ガスを削減するための対策として、COを分離回収したのち地中に貯留することが計画され、このCOの輸送にもパイプラインの使用が予想される。このようなCO輸送のパイプラインにも本発明を適用することができる。
さらに、脈動流れは産業界において、例えば、燃焼系エンジンの吸気系、熱交換器、排水管、ターボ機械、油空圧機器等いろいろな分野で存在するが、これらの脈動流れに対しても、本発明を適用することにより流動抵抗を減少させて、機器効率を高くすることができる。
【0077】
本発明は、上述の構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲でその他様々な構成が取り得る。
Drawing
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
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【図8】
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【図9】
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【図10】
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【図11】
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