(57)【要約】【課題】  設備コストおよびランニングコストの低減を図るだけでなく、供試体の水滴衝突率を簡単かつ正確に求め得る液滴衝突率の取得方法を提供する。【解決手段】  第１工程において、液滴が付着すると変色するとともに、付着する液滴の量に応じて発色する感応シートを、局所液滴衝突率が既知の第１供試体に装着する。第１供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、感応シートの発色パターンと、局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係を求める。第２工程で、第２供試体に付着する液滴による発色パターンと、第１工程の発色パターンと局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係から第２供試体への液滴衝突率分布を求める。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴が付着すると変色するとともに、付着する液滴の量に応じて発色する感応シートを、局所液滴衝突率が既知の第１供試体に装着し、この第１供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、前記感応シートの発色パターンと局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係を求める第１工程と、
液滴が未付着の感応シートを第２供試体に装着し、この第２供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、この感応シートに付着する液滴による発色パターンと、前記第１工程の感応シートの発色パターンと前記局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係から第２供試体への液滴衝突率分布を求める第２工程とを有することを特徴とする液滴衝突率の取得方法。
【請求項２】
第１供試体は円柱であり、第１工程において感応シートを前記円柱の外周面部に装着し、この円柱を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、円柱に装着した感応シートの発色パターンと円柱の局所液滴衝突率および局所液滴衝突量との関係を求めることを特徴とする請求項１に記載の液滴衝突率の取得方法。
【請求項３】
第１工程において、常温風洞内で液滴を含む混合ガスを発生させることを特徴とする請求項１に記載の液滴衝突率の取得方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば航空機における水滴衝突率分布を求めるための液滴衝突率の取得方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１２は、従来の供試体１０２に着氷試験を行うための着氷風洞１００の斜視図である。図１３は、過冷却水滴１０１が供試体１０２に着氷した状態を表す供試体１０２の断面図である。図１４は、供試体表面位置に対応する着氷量を表す図である。航空機において防氷設計する際、水滴が、航空機のどの場所に、どの程度衝突するかを示す水滴衝突率の分布を取得する必要がある。水滴衝突率の分布の取得のために、風洞試験が行われている（たとえば、非特許文献１参照。）。
【０００３】
着氷風洞１００は、一般的な風洞設備に、スプレー装置１０３、冷却設備１０４および断熱材１０５などが付加されて過冷却水滴１０１を噴射可能に構成される。前記着氷風洞１００内に供試体１０２を設置し、過冷却水滴１０１を供試体１０２に噴射することによって、供試体１０２の表面部１０２ａは着氷した状態となる。その後、図１５の縦軸に表される着氷厚さＫおよび着氷範囲などを計測して水滴衝突特性を取得する方法が実用に供されている。
【０００４】
図１５は、従来技術に係り、染色水滴１０６を、供試体１０７に貼り付けられた吸水紙１０８に衝突させて、水滴衝突量を記録する方法を模式的に表す図である。図１６は、供試体表面位置に対応する局所水滴衝突率１１０を表す図である。供試体１０７に吸水紙１０８を貼り付け、これら供試体１０７および吸水紙１０８を、前述の着氷風洞または一般的な風洞内に設置する。次に染色水滴１０６を、水滴の流れ方向上流側から供試体１０７および吸水紙１０８に向けて噴射する（たとえば、非特許文献２参照。）。水滴衝突率の分布は、たとえば吸水紙１０８内に蓄積された染料１０９の量を測ることによって得られる。水滴衝突率データは、たとえば染料１０９の質量分析、レーザおよび電荷結合素子（略称ＣＣＤ：Charge Coupled Device）を用いて取り出すことが可能である（たとえば非特許文献３参照。）。
【０００５】
【非特許文献１】高橋  劭  著「雲の物理」東京堂出版１９８７年２月、ｐ．９４−９９
【非特許文献２】「２０３０１感水試験紙  取扱説明書」スプレーイング  システムス  ジャパン（株）本社  東京都品川区東五反田５−１０−１８      ０３（４４５）６０３１
【非特許文献３】Michael Papadakis,Giao T.Vu and Eric K.Hung,「Progress in Measuring Water Impingement Characteristics on Aircraft Surfaces」AIAA 98-0488,1998．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の着氷厚さおよび着氷範囲などを計測する従来技術では、一般的な風洞設備ではなく、スプレー装置１０３、冷却設備１０４および断熱材１０５などが付加される特殊な着氷風洞１００が必要になるので、設備コストが高くなる。しかも過冷却水滴１０１を作り出すための電力が必要になるので、ランニングコストも高くなる。
【０００７】
また着氷厚さＫを計測する際、たとえば氷自体を採取してその高さ分布を計測しているので、計測する前の準備が面倒であり、結局計測時間が長くかかる。着氷時間を必要以上に長く取り過ぎると、氷の表面形状が変化して衝突特性が変化する。それ故、計測精度が、染色水滴１０６を用いる方法よりも悪くなる。なお、本願出願人が行った着氷試験においては、氷の形状から水滴衝突率を取得するには、前記着氷試験を実施するのに丸１日を必要とし、データ処理に丸１日を必要とした。
【０００８】
前述の染色水滴１０６を用いる従来技術においては、吸水紙１０８内に蓄積された染料１０９の質量分析が必要であり、レーザおよびＣＣＤを用いて水滴衝突率データを取り出さなければならないうえ、いずれも特殊な専用機器と高度なノウハウが必要になる。また染料１０９を用いているので、風洞がこの染料１０９によって汚れるなどの問題がある。
【０００９】
したがって本発明の目的は、設備コストおよびランニングコストの低減を図るだけでなく、供試体の水滴衝突率分布を簡単かつ正確に求め得る液滴衝突率の取得方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１記載の本発明は、液滴が付着すると変色するとともに、付着する液滴の量に応じて発色する感応シートを、局所液滴衝突率が既知の第１供試体に装着し、この第１供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、前記感応シートの発色パターンと局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係を求める第１工程と、
液滴が未付着の感応シートを第２供試体に装着し、この第２供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、この感応シートに付着する液滴による発色パターンと、前記第１工程の感応シートの発色パターンと前記局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係から第２供試体への液滴衝突率分布を求める第２工程とを有することを特徴とする液滴衝突率の取得方法である。
【００１１】
本発明に従えば、第１工程において、感応シートを第１供試体に装着する。前記感応シートは、液滴が付着すると変色するとともに、付着する液滴の量に応じて発色するものである。局所液滴衝突率が既知の前記第１供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、前記感応シートの発色パターンを求めるとともに、液滴衝突量および局所液滴衝突率と発色パターンとの関係を求める。第２工程において、液滴が未付着の感応シートを第２供試体に装着する。この第２供試体を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、前記感応シートに付着する液滴による発色パターンを求める。前記発色パターンと、第１工程の感応シートの発色パターンと前記局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係から、第２供試体への液滴衝突率分布を求める。
【００１２】
特に、液滴が付着すると変色するとともに、付着する液滴の量に応じて発色する感応シートを用いて、局所液滴衝突率が既知の第１供試体に装着した感応シートの発色パターンと液滴衝突量、局所液滴衝突率との関係および第２供試体に付着する液滴の発色パターンに基づいて、第２供試体への液滴衝突率分布を求めているので、第２供試体への液滴衝突率分布を、従来技術よりも簡単に求めることが可能となる。
【００１３】
単位体積あたりの液滴量である液滴含有率を求めることなく、第２供試体への液滴衝突率分布を求めることができる。さらに混合ガス流の自由流速度および感応シートに対する濡れ時間を求めることなく、第２供試体への液滴衝突率分布を求めることもできる。換言すれば、第１および第２工程における混合ガス流が同一条件であれば、前記液滴含有率、自由流速度、および濡れ時間を求めることなく、第２供試体への液滴衝突率分布を求めることができる。このように第２供試体への液滴衝突率分布を簡単に求めることができる。また本発明に従えば、着氷厚さおよび着氷範囲などを計測する、またはレーザおよびＣＣＤを用いて染料の質量分析を行わずに、液滴衝突率データを得ることができる。
【００１４】
したがって本発明に従えば、特殊な専用機器、高度なノウハウを用いることなく、感応シートの発色パターンから第２供試体への液滴衝突率分布を簡単に求めることが可能となる。しかも、本発明の液滴衝突率の取得方法では、少なくとも前記特殊な専用機器が不要となるので、設備コストの低減を図ることができる。
【００１５】
請求項２記載の本発明は、第１供試体は円柱であり、第１工程において感応シートを前記円柱の外周面部に装着し、この円柱を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、円柱に装着した感応シートの発色パターンと円柱の局所液滴衝突率および局所液滴衝突量との関係を求めることを特徴とする。
【００１６】
本発明に従えば、前記付着する液滴の量と発色との関係は、感応シートを円柱の外周面部に装着し、この円柱を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、求められる前記感応シートの発色パターンに基づいて、求めることができる。このように、付着する液滴の量と発色パターンとの関係を、特殊な専用機器、高度なノウハウを用いることなく簡単に求めることができる。
【００１７】
請求項３記載の本発明は、第１工程において、常温風洞内で液滴を含む混合ガスを発生させることを特徴とする。
【００１８】
本発明に従えば、常温風洞内で液滴を含む混合ガスを発生させるので、冷却設備および断熱装置などが付加される特殊な着氷風洞が不要となる。したがって、本発明の液滴衝突率の取得方法に従えば、設備コストの低減を実現することができる。しかも前記取得方法に従えば、過冷却水滴を作り出すための電力も不要となるので、ランニングコストの低減を図ることができる。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１記載の本発明によれば、特に、液滴が付着すると変色するとともに、付着する液滴の量に応じて発色する感応シートを用いて、局所液滴衝突率が既知の第１供試体に装着した感応シートの発色パターンと液滴衝突量、局所液滴衝突率の関係および第２供試体に付着する液滴の発色パターンに基づいて、第２供試体への液滴衝突率分布を求めているので、第２供試体への液滴衝突率分布を、従来技術よりも簡単に求めることが可能となる。単位体積あたりの液滴量である液滴含有率を求めることなく、第２供試体への液滴衝突率分布を求めることができる。さらに混合ガス流の自由流速度および感応シートに対する濡れ時間を求めることなく、第２供試体への液滴衝突率分布を求めることもできる。換言すれば、第１および第２工程における混合ガス流が同一条件であれば、前記液滴含有率、自由流速度、および濡れ時間を求めることなく、第２供試体への液滴衝突率分布を求めることができる。このように第２供試体への液滴衝突率分布を簡単に求めることができる。また本発明によれば、局所液滴衝突率データを求めるための着氷厚さおよび着氷範囲などの計測やレーザやＣＣＤを用いた染料の質量分析の必要がなくなる。
【００２０】
したがって前記本発明によれば、特殊な専用機器、高度なノウハウを用いることなく、感応シートの発色パターンから第２供試体への液滴衝突率分布を簡単に求めることが可能となる。しかも、本発明の液滴衝突率の取得方法では、少なくとも前記特殊な専用機器が不要となるので、設備コストの低減を図ることができる。さらに本発明の液滴衝突率の取得方法では、供試体に着氷させる必要がないので、その為の設備が不要となり、設備コストの低減を図ることも可能となる。
【００２１】
請求項２記載の本発明によれば、付着する液滴の量と発色との関係は、感応シートを円柱の外周面部に装着し、この円柱を、液滴を含む混合ガス流中に設置し、求められる前記感応シートの発色パターンに基づいて、求めることができる。このように、付着する液滴の量と発色との関係を、特殊な専用機器、高度なノウハウを用いることなく簡単に求めることができる。
【００２２】
請求項３記載の本発明によれば、常温風洞内で液滴を含む混合ガスを発生させるので、冷却設備および断熱装置などが付加される特殊な着氷風洞が不要となる。したがって、前記本発明の液滴衝突率の取得方法によれば、設備コストの低減を実現することができる。しかも前記取得方法に従えば、過冷却水滴を作り出すための電力も不要となるので、ランニングコストの低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
図１は、本発明の実施形態に係り、水滴衝突率の取得方法を段階的に示すフローチャートである。図１において、ｓｉ（ｉ＝１，２，３，４）はステップを示す。本実施形態は、第２供試体の水滴衝突率を調べるための水滴衝突試験に、本発明の液滴衝突率の取得方法を適用するものである。本実施形態において、第２供試体はＮＡＣＡ００１２翼形が用いられる。ただし、第２供試体は必ずしもＮＡＣＡ００１２翼形に限定されるものではない。
【００２４】
ステップｓ１において本フローをスタートさせた後、ステップｓ２において、第１供試体である円柱２（図２参照）への液滴衝突試験つまり水滴衝突試験を実施し、所望の関係を求める。具体的には、先ず感応シートである感水紙１を円柱２に装着する。次にこの円柱２を水滴３（図２参照）を含む混合ガス流中に設置する。この水滴衝突試験後、前記感水紙１の発色パターンと局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係を求める。ここで円柱２の局所液滴衝突率は既知である。この局所液滴衝突率は、水滴の流速および平均水滴径等の関数として表される。
【００２５】
次にステップｓ３に移行して、第２供試体４（図６参照）へ液滴衝突試験つまり水滴衝突試験を実施し、第２供試体４への液滴衝突率分布を求める。具体的には、先ず水滴３が未付着の感水紙１を、第２供試体４に装着する。次にこの第２供試体４を水滴３を含む混合ガス流中に設置する。この水滴衝突試験後、前記感水紙１に付着する水滴３による発色パターンと、ステップｓ２で求められる発色パターンと、局所液滴衝突率および液滴衝突量との関係から、第２供試体４への液滴衝突率分布を求める。次に、ステップｓ４に移行し本フローを終了する。ステップｓ２が第１工程に相当する。ステップｓ３が第２工程に相当する。
【００２６】
なお、液滴衝突試験つまり本水滴衝突試験においては水滴の平均水滴径、および径の分布は、各工程を通して変化しないものとしている。前記感水紙は、水滴が付着すると変色するとともに、付着する水滴の量に応じて発色するものである。前記感水紙は、感水試験紙ともいう。具体的に、感水紙は、たとえばスプレーイングシステムスジャパン株式会社製の感水試験紙（型番：２０３０１）が用いられる。前記感水試験紙は、特殊コーティングを施した、表面が黄色の硬質紙で、水滴が付着するとその部分が濃い青色に変色する。本水滴衝突試験で用いる感水紙は、水滴が付着すると変色するとともに、付着する水滴の量に応じて発色するものであれば種々な感水紙を適用可能であり、前記スプレーイングシステムスジャパン株式会社製の感水試験紙だけに必ずしも限定されるものではない。
【００２７】
図２は、感水紙１を円柱２の外周面部に装着し、この円柱２を、水滴３を含む混合ガス流中に設置する状態を表す斜視図である。図３は、円柱２における外周面部の表面位置Ｓに対応する変色量、および円柱の理論水滴衝突率を表す図である。図４は、変色量ｘと局所水滴衝突率β，および局所水滴衝突量ｗとの相関関係を表す図である。図５は、第２供試体４を、水滴３を含む混合ガス流中に設置するための風洞５の斜視図である。局所液滴衝突率としての前記局所水滴衝突率βを、単に、水滴衝突率βという場合がある。水滴衝突率βは、衝突対象位置における単位時間単位面積あたりの水滴衝突量ｗを、後述するスプレー装置から発射される単位時間単位面積あたりの水滴量ｗ０で除した値と同義である。前記水滴衝突量ｗが液滴衝突量に相当する。
【００２８】
前記ステップ３で求められる第２供試体４への水滴衝突率分布は、予め求められる付着する水滴の量と発色パターンとの関係に基づいて求められる。すなわち図２および図５に示すように、感水紙１を、局所水滴衝突率βが既知の円柱２の外周面部に装着する。この円柱２を、風洞５内の水滴３を含む混合ガス流中に設置する。本実施形態においては第１供試体として、円柱を使用しているが、第１供試体は必ずしも円柱に限定されるものではない。具体的には局所水滴衝突率βが既知の第１供試体（たとえば、文献データのあるもの、別の試験によって局所水滴衝突率βが得られているもの、数値計算によって局所水滴衝突率βが求められているものなど）であればそれを使用してもよい。
【００２９】
その後、図３の破線に示すように、後述する第２供試体４と略同じ試験条件（後述する）で、円柱２の感水紙１の発色パターン６を得る。前記発色パターン６は、円柱２の外周面部つまり表面位置Ｓに対する変色量と同義である。変色量を発色量という場合がある。次に、図３および図４に示すように、前記円柱２の感水紙１の発色パターン６と、円柱の理論局所水滴衝突率分布７とに基づいて、局所水滴衝突率βと感水紙変色量ｘとの関係曲線８を得るとともに、局所水滴衝突量ｗと感水紙変色量ｘとの関係曲線８´を得る。
【００３０】
ここで水滴３を含む混合ガス流中におかれた物体つまり円柱２または第２供試体４に、単位面積あたり衝突する前記局所水滴衝突量ｗ（ｋｇ／ｍ２）は、次のように表される。
ｗ＝β・ＬＷＣ・Ｖ・ｔ                                       …（１ａ）
＝β・ｗ０  …（１ｂ）
【００３１】
式（１ａ），（１ｂ）において、ＬＷＣは水滴含有率（ｋｇ／ｍ３）、Ｖは自由流速度（ｍ／ｓ）、ｔは濡れ時間（ｓ）、βは局所水滴衝突率、ｗ０は濡れ時間ｔにおける自由流中での水滴流入量（ｋｇ／ｍ２）を表している。つまり、局所水滴衝突率βに水滴含有率ＬＷＣを乗じた値に、自由流速度Ｖを乗じ、さらに濡れ時間ｔを乗じることによって、水滴衝突量ｗを求めることができる。なお式（１ａ），（１ｂ）において、乗算を算術記号「・」で表記している。
【００３２】
前記発色パターン６および理論局所水滴衝突率分布７は、たとえばスキャナ９を介して、このスキャナ９に電気的に接続されたパーソナルコンピュータ１０（略称ＰＣ：
Personal Computer）の図示外のメモリに格納される（図９参照）。さらにＰＣ１０に予めインストールされたプログラムによって、円柱２の局所水滴衝突量ｗと感水紙変色量ｘとの関係曲線を表す特性関数ｆを求める。ここで変色量ｘと水滴衝突量ｗとの関係は次のように表すことができる。
ｗ＝ｆ（ｘ）                                                    …（２）
【００３３】
円柱の局所水滴衝突率βは予めわかっているため、式（１ａ）より水滴含有率ＬＷＣ，自由流速度Ｖ，濡れ時間ｔがわかれば水滴衝突量ｗの値が決まる。水滴含有率ＬＷＣ，自由流速度Ｖ，濡れ時間ｔのうち、自由流速度Ｖおよび濡れ時間ｔは容易に測定できるが、水滴含有率ＬＷＣは必ずしも容易に測定できるわけではない。しかしながら後述するように必ずしも円柱の局所水滴衝突率βの測定には、水滴含有率ＬＷＣが必ずしも必要というわけではない。前記「略同じ試験条件」は「同じ試験条件」を含む。この試験条件は、風洞５内において、たとえば自由流速度約２０ｍ／ｓ、迎え角約０度、濡れ時間約５ｓｅｃである。
【００３４】
図６は、第２供試体４に貼り付けた感水紙１と、この感水紙１に衝突する水滴３との関係を概略示す断面図である。図７は、水滴３が付着して変色した感水紙１を、第２供試体４から取り外し、紙の厚み方向から見た平面図である。図８は、感水紙１を第２供試体４に貼り付けたうえで水滴３を噴射する状態を表す斜視図である。図９は、水滴３が付着して変色した感水紙１を第２供試体４から取り外し、この感水紙１をスキャナ９で読み込み、画像処理する方法を模式的に表す図である。
【００３５】
上述したように、円柱の局所水滴衝突率βおよび局所水滴衝突量ｗと感水紙変色量ｘとの関係曲線８，８´を一旦得た後、図６に示すように、感水紙１を第２供試体４の前縁部４ａに装着する。次に、この第２供試体４を、風洞５内の水滴３を含む混合ガス流中に設置する。ここで風洞設備５Ａは、常温風洞である風洞５と、この風洞５内にそれぞれ設けられるファン１１と、スプレー装置１２とを有する。常温空気が試験条件で定められる風速で風洞５内を流れるように、ファン１１は風洞５に回転可能に設置される。ファン１１の風速方向下流側には、前記スプレー装置１２が設置されている。水滴３が試験条件で定められる平均水滴径でかつ一定時間（濡れ時間）発射可能に、スプレー装置１２が風洞５に設置される。濡れ時間を以下のようにコントロールしてもよい。つまり風洞設備５Ａにおいて、第２供試体４付近の風速方向上流側に、開閉可能な遮蔽手段としての遮蔽板などを設けておき、前記遮蔽板を開閉することによって前記濡れ時間をコントロールしてもよい。この場合には、濡れ時間を一層正確にコントロールすることができる。このスプレー装置１２の風速方向下流側に、第２供試体４が設置される。これらファン１１、スプレー装置１２によって、水滴雲１３が擬似的に作られる。この第２供試体４に関する第２工程の試験条件が、円柱２を使用した第１工程における条件と同一であればデータ処理が容易になる。第１および第２工程の試験条件が異なった場合の処理は後述する。
【００３６】
第２供試体４への水滴衝突試験を前記一定時間実施した後、部分的に変色した感水紙１を第２供試体４から取り外し、スキャナ９で変色データを取り込む。図１０は、第２供試体４における表面位置Ｓに対応する変色量などから求められる第２供試体４の水滴衝突率分布１４を表す図である。図１１は、感水紙の水滴衝突試験データと、解析した水滴衝突率とを示す図である。
【００３７】
図１１において、三角、四角、丸で表される複数のプロット１５は、感水紙１の水滴衝突試験データである。また図１１において表される実線Ｌｊは、別途数値解析により得られた水滴衝突率である。スキャナ９で変色データを取り込んだ後、たとえば前記パーソナルコンピュータ１０を用いて、第２供試体４の感水紙１の発色パターンを得る。前記発色パターンは、第２供試体４の表面位置Ｓに対する変色量と同義である。
【００３８】
次に、メモリに格納された図４に示す局所水滴衝突率βおよび局所水滴衝突量ｗと感水紙変色量ｘとの関係曲線８，８´に基づいて、図１０に示すように、前記感水紙１の発色パターンから第２供試体４への水滴衝突率分布１４を求めることができる。
【００３９】
第１工程および第２工程における感水紙を使用した水滴衝突率測定概念の理論的な内容を以下に示す。
【００４０】
第１工程において、予め水滴衝突率βが既知の供試体に感水紙を装着して水滴衝突試験を実施する。水滴衝突率βが既知の供試体は、たとえば、数値計算、実験値、文献値などから水滴衝突率βが推定できるものであり、本実施形態で使用した円柱などが挙げられる。このとき水滴衝突率βは既知であるから、以下の式で表すことができる。
β＝β（ｓ）                                                    …（３）
【００４１】
ここでｓは、供試体の先端から供試体表面に沿った距離（ｍ）である。また、水滴衝突試験により得られる感水紙の発色量はｘ（ｓ）で表される。
【００４２】
（３）式を（１）式に代入すると、次の（４）式が得られる。
ｗ（ｓ）＝β（ｓ）・ＬＷＣ・Ｖ・ｔ                              …（４）
【００４３】
ここで、ｗ（ｓ）：水滴衝突量（ｋｇ／ｍ２），ＬＷＣ：水滴含有率（ｋｇ／ｍ３）、Ｖ：自由流速度（ｍ／ｓ）、ｔ：濡れ時間（ｓ）、β：局所水滴衝突率を表している。なお（４）式において、乗算を算術記号「・」で表記している。
【００４４】
発色量ｘと、よどみ点からの表面距離ｓとが、１対１に対応しているとすると
ｓ＝ｓ（ｘ）                                                   …（５）
と表される。（３），（５）式から発色量ｘと水滴衝突率βとの関係に関する下式が得られる。
β＝β（ｓ（ｘ））                                               …（６）
【００４５】
（６）式を（４）式に代入すると次の（７）式が得られる。
ｗ（ｓ（ｘ））＝β（ｓ（ｘ））・ＬＷＣ・Ｖ・ｔ                   …（７）
（７）式は、第１工程において得られる感水紙の発色量ｘと水滴衝突量ｗとの関係を示す。ここで水滴含有率ＬＷＣ，自由流速度Ｖ，濡れ時間ｔは試験から得られ、β（ｓ）は前もって得られる値、ｓ（ｘ）は感水紙の発色パターンを測定して得られるデータである。なお（７）式において、乗算を算術記号「・」で表記している。
【００４６】
次に、第２工程において感水紙を装着した供試体の水滴衝突試験を行い、得られた感水紙の変色量データを用いて、供試体の表面部の局所水滴衝突率β’を以下の式を用いて求めることができる。（７）式の左辺ｗ（ｓ（ｘ））は（２）式のｆ（ｘ）と同じである。
【００４７】
第２工程の供試体における発色量ｘの点における水滴衝突量ｗは、第１工程の（７）式と同様にして以下の（８）式で表される。
ｗ（ｓ（ｘ’）’）’＝β（ｓ（ｘ’）’）’・ＬＷＣ’・Ｖ’・ｔ’  …（８）
【００４８】
ここで、上添字  ’は第２工程に関する量を示し、ｘ’：発色量、ｓ’：よどみ点からの距離（ｍ）、ｗ（ｓ）’：水滴衝突量（ｋｇ／ｍ２），ＬＷＣ’：水滴含有率（ｋｇ／ｍ３）、Ｖ’：自由流速度（ｍ／ｓ）、ｔ’：濡れ時間（ｓ）、β’：局所水滴衝突率を表している。なお（８）式において、乗算を算術記号「・」で表記している。発色量ｘ’とよどみ点からの表面距離ｓ’は１対１に対応しているとすると
ｓ’＝ｓ（ｘ’）’                                                …（９）
と表される。また（６）式と同様にして発色量ｘ’と水滴衝突率β’の関係に関する下式が得られる。
β’＝β（ｓ（ｘ’）’）’                                        …（10)
【００４９】
発色量ｘ，ｘ’が等しいとすると、対応する第１工程、第２工程における水滴衝突量ｗ、ｗ’は等しくなるから（７），（８）式より次式が得られる。
β（ｓ（ｘ）’）’＝β（ｓ（ｘ））・ＬＷＣ・Ｖ・ｔ
／（ＬＷＣ’・Ｖ’・ｔ’）                     …（11）
【００５０】
上式はｓ（ｘ），ｓ（ｘ）’，β（ｓ（ｘ））、ＬＷＣ、Ｖ、ｔ、ＬＷＣ’、Ｖ’、およびｔ’の値がわかれば第２工程における水滴衝突率が求まることを示している。なお（１１）式において、乗算を算術記号「・」で表記している。第１工程と第２工程とを同一の試験条件で実施した場合には、ＬＷＣ＝ＬＷＣ’Ｖ＝Ｖ’，ｔ＝ｔ’となるため次の簡単な関係
β（ｓ（ｘ）’）’＝β（ｓ（ｘ））                                …（12）
が得られる。（１２）式は、要約すれば、同一試験条件においては、第１供試体の表面位置ｓでの変色量ｘと第２供試体の表面位置ｓ’での変色量ｘとが等しければ、供試体のそれぞれの表面位置の水滴衝突率βとβ’は等しいことを示している。したがって、たとえば水滴含有率ＬＷＣ、自由流速度Ｖ、および濡れ時間ｔの値がわからなくても、第１工程と第２工程とが同一の試験条件で行われていれば、水滴衝突率β’を求めることができる。逆に言えば、第１および第２工程を同一の試験条件で実施することによって、水滴含有率ＬＷＣ、自由流速度Ｖ、および濡れ時間ｔを求めることなく、水滴衝突率β’を求めることができる。さらに、たとえば、水滴含有率ＬＷＣの値は不明であるが第１工程と第２工程とが同一の試験条件であるならば、自由流速度Ｖ，Ｖ’，濡れ時間ｔ、ｔ’をそれぞれ計測することによって、水滴衝突率β’を求めることができる。
【００５１】
以上より、第２供試体４への水滴衝突率分布１４を、従来技術よりも簡単に求めることができる。このように第２供試体４への水滴衝突率分布１４を求めることができるので、水滴が、たとえば航空機のどの場所に、どの程度衝突するかを知ることができる。これによって、航空機における防氷設計を実現することが可能となる。
【００５２】
以上説明した水滴衝突率の取得方法によれば、水滴３が付着すると変色するとともに、付着する水滴３の量に応じて発色する感水紙１、スキャナ９およびＰＣ１０を用いて、局所水滴衝突率が既知の円柱２に装着した感水紙１の発色パターンと水滴衝突量、局所水滴衝突率との関係および第２供試体４に付着する水滴の発色パターンに基づいて、第２供試体４への水滴衝突率分布を求めているので、第２供試体４への水滴衝突率分布１４を、従来技術よりも簡単に、かつ特殊な専用機器を導入することなく求めることが可能となる。たとえば、単位体積あたりの水滴量である水滴含有率ＬＷＣを求めることなく、第２供試体４への水滴衝突率分布を求めることができる。また前記水滴衝突率の取得方法によれば、着氷厚さおよび着氷範囲などを計測する、または染料の質量分析、レーザおよびＣＣＤを用いて水滴衝突率データを取り出す必要がなくなる。換言すれば、前記水滴衝突率の取得方法によれば、特殊な専用機器と高度なノウハウが不要となり、第２供試体４への水滴衝突率分布１４を簡単かつ正確に求めることができる。
【００５３】
また本実施形態の水滴衝突率の取得方法によれば、実際の試験において、従来の「染料」を使わずに「水」を使うことができる。それ故、風洞５の汚れを極力防止することができ、たとえば廃水処理、風洞の洗浄のためのコストを大幅に削減することができる。
【００５４】
したがって前記水滴衝突率の取得方法によれば、特殊な専用機器、高度なノウハウを用いることなく、感水紙１の発色パターンから第２供試体４への水滴衝突率分布１４を簡単に求めることが可能となる。しかも、本実施形態の水滴衝突率の取得方法では、設備コストの低減を図ることができる。さらに本水滴衝突率の取得方法では、第２供試体４に着氷させる必要がないので、その為の設備が不要となり、設備コストの低減を図ることも可能となる。
【００５５】
なお、本願出願人が実施した感水紙の試験においては、試験の実施に約１時間を要し、データ処理に約２時間を要した。したがって、従来の着氷試験において、前記着氷試験を実施するのに丸１日を要し、データ処理に丸１日を要する水滴衝突率の取得方法に比べて、本実施形態の水滴衝突率の取得方法では、試験の実施時間、データ処理時間ともに大幅に短縮することができる。
【００５６】
また水滴衝突率の取得方法によれば、予め求められる付着する水滴の量と発色との関係は、感水紙１を円柱２の外周面部に装着し、この円柱２を、水滴３を含む混合ガス流中に設置し、求められる前記感水紙１の発色パターン６に基づいて、求めることができる。このように、付着する水滴３の量と発色との関係を、特殊な専用機器、高度なノウハウを用いることなく簡単に求めることができる。
【００５７】
また本実施形態の水滴衝突率の取得方法によれば、常温風洞５内で水滴３を含む混合ガスを発生させるので、冷却設備および断熱設備などが付加される特殊な着氷風洞が不要となる。したがって、前記水滴衝突率の取得方法によれば、設備コストの低減を実現することができる。しかも前記取得方法によれば、過冷却水滴を作り出すための電力も不要となるので、ランニングコストの低減を図ることができる。
【００５８】
本実施形態において、感応シートとして感水紙１を用いているが、感応シートは必ずしも紙だけに限定されるものではない。たとえば感応シートとしては、たとえば弾性変形可能な樹脂製シートを適用することも可能である。感水紙または樹脂製シートの表面部に様々なコーティングを施した感応シートを適用することも考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の実施形態に係り、局所液滴衝突率の取得方法を段階的に示すフローチャートである。
【図２】感水紙１を円柱２の外周面部に装着し、この円柱２を、水滴３を含む混合ガス流中に設置する状態を表す斜視図である。
【図３】円柱２における外周面部の表面位置Ｓに対応する変色量、および円柱２の理論水滴衝突率βを表す図である。
【図４】変色量と局所水滴衝突率β，局所液滴衝突量ｗとの相関関係を表す図である。
【図５】第２供試体４を、水滴３を含む混合ガス流中に設置するための風洞５の斜視図である。
【図６】第２供試体４に貼り付けた感水紙１と、この感水紙１に衝突する水滴３との関係を概略示す断面図である。
【図７】水滴３が付着して変色した感水紙１を、第２供試体４から取り外し、紙の厚み方向から見た平面図である。
【図８】感水紙１を第２供試体４に貼り付けたうえで水滴３を噴射する状態を表す斜視図である。
【図９】水滴３が付着して変色した感水紙１を第２供試体４から取り外し、この感水紙１をスキャナ９で読み込み、画像処理する方法を模式的に表す図である。
【図１０】第２供試体４における表面位置Ｓに対応する変色量などから求められる第２供試体４の水滴衝突率分布１４を表す図である。
【図１１】感水紙の水滴衝突試験データと、解析した水滴衝突率とを示す図である。
【図１２】従来の供試体１０２に着氷試験を行うための着氷風洞１００の斜視図である。
【図１３】過冷却水滴１０１が供試体１０２に着氷した状態を表す供試体１０２の断面図である。
【図１４】供試体表面位置に対応する着氷量を表す図である。
【図１５】従来技術に係り、染色水滴１０６を、供試体１０７に貼り付けられた吸水紙１０８に衝突させて、水滴衝突量を記録する方法を模式的に表す図である。
【図１６】供試体表面位置に対応する局所水滴衝突率１１０を表す図である。
【符号の説明】
【００６０】
１  感水紙
２  円柱
３  水滴
４  第２供試体
５  風洞
６  発色パターン
１４  水滴衝突率分布
β  水滴衝突率
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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