(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路を構成する壁面に沿って流れる流体内に摩擦低減効果物を加えて形成される流れ場を対象とし、前記壁面の影響によって生じる流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法であって、
前記流れ場の代表長さをＤ、前記流れ場における前記流体単独の圧力損失をｄｐ０とし、前記圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとの積に基づいて、前記流れ場における流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法。
【請求項２】
流路を構成する壁面に沿って流れる流体内に摩擦低減効果物を加えて形成される流れ場を対象とし、前記壁面の影響によって生じる流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法であって、
前記流れ場の代表長さをＤ、前記流れ場における前記流体単独の圧力損失をｄｐ０、前記流体の動粘性係数をν、前記流体の密度をρとし、
（４×流体の動粘性係数ν×流体の密度ρ）／（流体単独の圧力損失ｄｐ０×流れ場の代表長さＤ）に基づいて、前記流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法。
【請求項３】
前記壁面が、内部を流体が流れる管の内壁面であると共に、前記流体が水であり、前記摩擦低減効果物が水に対してミセルとなる物質であり、前記圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとしての管の代表径との積に基づいて、前記流体摩擦を評価する請求項１記載の流体摩擦評価方法。
【請求項４】
流路を構成する管内を流れる流体内に摩擦低減効果物を加えて形成される流れ場を対象とし、管壁の影響によって生じる流体摩擦の予測をおこなう流体摩擦予測方法であって、
前記摩擦低減効果物の濃度を所定の設定濃度に維持して、前記流体と前記摩擦低減効果物との混合流体を基準管内に流し、異なった圧力損出が発生する複数の流れ状態、それぞれに対して、流体摩擦を測定する基礎データ収集工程と、
前記基礎データ収集工程において収集される前記流体単独の圧力損出と前記流体摩擦との関係を、前記流れ場の代表長さをＤ、前記流れ場における前記流体単独の圧力損失をｄｐ０とし、前記圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとの積に基づいて整理して流体摩擦予測指標を得る予測指標作成工程と、
前記基準管の管径とは異なる管径の予測対象管内に形成される、前記設定濃度の流れにより発生する流体摩擦を、前記予測対象管内の流れにおける前記積から、前記流体摩擦予測指標に基づいて予測する流体摩擦予測工程とを備えた流体摩擦予測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流路を構成する壁面に沿って流れる流体内に摩擦低減効果物を加え形成される流れ場を対象とし、前記壁面と流体との間に生じる流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法、あるいは、異なった管径の管内を流れる流れを所定の管径の管内を流れから予測する流体摩擦予測方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
このような流体摩擦の評価が必要な技術分野としては、例えば、地域冷暖房における熱搬送用の媒体として使用される水（流体の一例）に界面活性剤と対イオンから作られるミセル（摩擦低減効果物の一例）を添加して、管壁とこの管内を流れる混合流体との間で発生する摩擦抵抗を低減化する技術分野を挙げることができる。例えば、異なった、管材、管路長さ、管径等から形成される管路内を異なる流速で流れる流れ場を検討対象とする場合に、どのような流体もしくはこれに対する摩擦低減効果物を採用するか、摩擦低減効果物をどのような状態とするか（例えば添加濃度等をどうするか）等が重要な問題となる。
【０００３】
従来、このような流れ場における摩擦低減効果を評価する場合は、所謂、レイノルズ数Ｒｅが指標とされてきた。
所定の管内を流れる水により発生する摩擦抵抗に関する実験結果に基づいて、従来の評価方法を説明する。図２は、管内を流れる水に摩擦低減効果物としての界面活性剤と対イオンから作られるミセル（物質名  塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウムとサリチル酸ナトリウムとが混合されたもの）を、濃度を変化させて加えた場合の摩擦抵抗の変化を調べたものであり、横軸にレイノルズ数Ｒｅを、縦軸に、摩擦低減状態を示す指標ＤＲである（ｆ１−ｆ０）／ｆ０を示している。この指標において、ｆ０は水のみを管内に流した場合の摩擦抵抗を、ｆ１は、前記水に摩擦低減効果物を添加した状態を示している。摩擦抵抗の測定にあたっては、圧力損失によるものとした。
実験に当たっては、摩擦低減効果物の濃度を塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウム５００、７５０、１０００ｐｐｍと変化させると共に、前記物質の濃度に対応して、サリチル酸ナトリウムを３００、４５０、６００ｐｐｍと変化させた。両者の組み合わせ（前者の濃度、後者の濃度）は、（５００、３００）、（７５０、４５０）、（１０００、６００）、それぞれの単位はｐｐｍである。
一方、検討対象の管として、管径を２５ｍｍ，５０ｍｍ、８０ｍｍとしたものを採用した。これらの濃度及び管径と同図に示す符号との関係を図上、右上に、（塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウム濃度／管径）として示した。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
図２を見ても判るように、摩擦低減効果はレイノルズ数Ｒｅが低い状態で発生する傾向にあることは判る（（ｆ１−ｆ０）／ｆ０がマイナス側に振る）が、例えば、摩擦低減効果物の濃度もしくは管径が一定の場合に、摩擦低減効果がどのレイノルズ数Ｒｅで明確に認められるのか、あるいは、所定の摩擦低減効果を得ようとすれば、摩擦低減効果物の添加量をどの程度にすればよいのか、明確に判断しがたい状況にある。
【０００５】
本発明の目的は、このような判断を比較的明確に行うことができる流体摩擦の評価方法を得ることにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するための、流路を構成する壁面に沿って流れる流体内に摩擦低減効果物を加えて形成される流れ場を対象とし、前記壁面の影響により生じる流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法としては、請求項１に記載されているように、
前記流れ場の代表長さをＤ、前記流れ場おける流体単独の圧力損失をｄｐ０とし、前記圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとの積に基づいて、前記流れ場の流体摩擦の評価をおこなうことにある。
【０００７】
このことは、請求項２に記載されている上記の目的を達成するための、流路を構成する壁面に沿って流れる流体内に摩擦低減効果物を加えて形成される流れ場を対象とし、前記壁面の影響によって生じる流体摩擦の評価をおこなう流体摩擦評価方法として、
前記流れ場の代表長さをＤ、前記流れ場における前記流体単独の圧力損失をｄｐ０、前記流体の動粘性係数をν、前記流体の密度をρとし、
（４×流体の動粘性係数ν×流体の密度ρ）／（流体単独の圧力損失ｄｐ０×流れ場の代表長さＤ）に基づいて、前記流体摩擦の評価をおこなうことにつながる。
すなわち、後述するように前記流れ場内の壁面境界層に形成される渦に関して、前記渦の渦径と回転速度で定義される渦の流体力学的特性時間に基づいて、前記流体摩擦の評価をおこなうことにつながる。
【０００８】
先ず、本願発明を完成するにあたり、発明者らがおこなった推定過程に関して説明する。
円管内に形成される流れ場を考えると、壁面のせん断応力τwは、壁面に沿った圧力損失（単位長さ当たり）をｄｐ０，管径をＤとして、τw＝（ｄｐ０×Ｄ）／４となり、摩擦速度ｕtは、
ｓｑｒｔ（τw／ρ）＝ｓｑｒｔ｛（ｄｐ０×Ｄ）／（４×ρ）｝と記載できる。
壁面境界層を代表できる速度（１ｕ＋）および壁面からの離間距離（１ｙ＋）は以下のように記載でき、これらと壁面境界層（壁面近傍）の変動速度のｒｍｓ値（ルートミーンスクエアー値）ｕrmsおよびコルモゴロフスケールηとは以下のような関係がある。
（１ｕ＋）＝ｕt  ∝  ｕrms
（１ｙ＋）＝ν／ｕt  ∝  η
壁面近傍である壁面境界層内の渦の流体力学的特性時間はη／ｕrmsに比例するため、これを変換すると、（４×ν×ρ）／（ｄｐ０×Ｄ）に比例することとなる。ここで、νは流体の動粘性係数、ρは流体の密度である。
従って、流体摩擦を評価しようとすると、壁面境界層内の渦の流体力学的特性時間を指標とすることが好ましいのであるが、同時に、このことは、流れ場における流体単独の圧力損失と代表長さの積（ｄｐ０×Ｄ）を指標とすることが好ましいことを示している。従って、請求項１、もしくは２に記載の評価方法を採用するのが好ましい。
ここで、流体の圧力損失と代表長さの積は、基本的に現場の流れ場を対象として測定検出可能な値であるため、現場での評価を良好に行うのに好ましい具体的な指標である。しかも、本願にあっては、所定の流れ場を解析するにあたり、摩擦低減効果物に対してこれが混合される流体の圧力損失ｄｐ０を求めておくと、この圧力損失ｄｐ０と流れ場の代表長さＤとの情報だけで、摩擦低減効果の評価を行えるため、非常に有用である。
本願における説明にあたっては、壁面近傍である壁面境界層内の渦の流体力学的特性時間を前記積で代表して、実施の形態の欄で具体的に説明する。
【０００９】
さらには、前記流れ場内の壁面境界層に形成される渦に関して、前記渦の渦径と回転速度で定義される渦の流体力学的特性時間と、前記摩擦低減効果物に関して、前記摩擦低減効果物の濃度で規定される摩擦低減効果物の流体力学的特性時間との関係に基づいて、前記流体摩擦の評価をおこなうことが好ましい。ここで、先にも示したように、渦の流体力学的特性時間は、η／ｕrmsもしくは、（４×ν×ρ）／（ｄｐ０×Ｄ）から判断可能であり、摩擦低減効果物の流体力学的特性時間は、その濃度から判断可能である。
さて、摩擦低減効果物の流体力学的特性時間と渦の流体力学的特性時間との間に一定の関係がある場合、摩擦低減効果が発現する。よって、壁面境界層における渦の流体力学的特性時間と摩擦低減効果物の流体力学的特性時間の関係により、流れ場において発現する流体摩擦に変化が起こる。発明者らは、別途、この関係が所定の関係にあるときに、流体摩擦低減が発生することを確認して、本願発明を完成した。即ち、摩擦低減効果物の流体力学的特性時間／渦の流体力学的特性時間が、例えば、０．０５〜０．２の範囲内にあれば、摩擦低減効果が得られる状況が発生するのであるが、この範囲より小さい場合、あるいは大きい場合は摩擦低減が得にくいため、この比に従っても評価を行うことができる。
【００１０】
さて、請求項１に記載の方法にあって、請求項３に記載されているように、前記壁面が、内部を流体が流れる管の内壁面であると共に、前記流体が水であり、前記摩擦低減効果物が水に対してミセルとなる物質であり、前記圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとしての管内径との積に基づいて、前記流体摩擦を評価することが好ましい。
管内流れに関しては、例えば、円管等において管の内径等をその代表長さとすることができると共に、水単独で管内を流した場合における圧力損失と、円管の径として得られる代表長さとを利用して、同一の管径のものに対しては、その圧力損失を求めることで、さらに異なった管径のものを対象とする場合においても、圧力損失と代表長さの積を指標として、統一した基準の下に、合理的な評価をおこなうことが可能となる。
【００１１】
さて、このような評価手法を採用する場合は、圧力をパスカル（Ｐａ）単位で測定する場合における圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとしての管内径との積が、１２５Ｐａより小さい場合に、摩擦低減効果が得られていると判断することができる。後にも示すように、上記限界値よりも積が小さい場合に、流体摩擦低減効果が十分に発揮できるためである。この指標は、管内を流れる流体が水で、摩擦低減効果物が、塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウム及びサリチル酸ナトリウムである場合に、特に、好適に適応できる。
このことは、管径が変わった場合の評価においても、特に有用である。
【００１２】
本願の評価方法を使用して、流路を構成する管内を流れる流体内に摩擦低減効果物を加えて形成される流れ場を対象とし、管壁の影響によって生じる流体摩擦の予測をおこなう場合に、請求項４に記載されているように、
前記摩擦低減効果物の濃度を所定の設定濃度に維持して、前記流体と前記摩擦低減効果物との混合流体を基準管内に流し、異なった圧力損出が発生する複数の流れ状態、それぞれに対して、流体摩擦を測定する基礎データ収集工程と、
前記基礎データ収集工程において収集される前記流体単独の圧力損出と前記流体摩擦との関係を、前記流れ場の代表長さをＤ、前記流れ場における前記流体単独の圧力損失をｄｐ０とし、前記圧力損失ｄｐ０と前記代表長さＤとの積に基づいて整理して流体摩擦予測指標を得る予測指標作成工程と、
前記基準管の管径とは異なる管径の予測対象管内に形成される、前記設定濃度の流れにより発生する流体摩擦を、前記予測対象管内の流れにおける前記積から、前記流体摩擦予測指標に基づいて予測する流体摩擦予測工程とを備える。
即ち、摩擦低減効果物を添加することにより、管内で発揮される摩擦低減効果を、異なった管径の管の間で予測しようとすれば、本願にあっては、以下のようにする。
先ず、基礎データ収集工程において、所定の管径の基準管内に、設定濃度だけ摩擦低減効果物が添加された混合流体を流す操作を、異なった圧力損出が発生する多くの状態で繰り返し、それぞれの状態における流体摩擦を測定する。
ここで、設定濃度とは、予測対象の管内に添加すべき摩擦低減効果物の濃度が決まっている場合はその濃度を採用し、濃度自体を設定したい場合は、複数の設定濃度を予め決めて、本手法をそれぞれの濃度についておこない、摩擦低減が発生する適切な濃度を選択することとなる。
さて、設定濃度を決めた後の操作に関して述べると、上記基礎データ収集工程において、得られたデータを、予測指標作成工程において、図１に示す例のように、流体摩擦と積との関係で整理する。このようにすると、摩擦低減効果物が設定濃度で添加された状態における流体摩擦の変化状況が、前記積に対応して捕らえられる。
流体摩擦予測工程において、前記基準管の管径とは異なる管径の予測対象管内に形成される、設定濃度の流れに発生する流体摩擦を、予測対象管内の流れにおける前記積（予測対象管における代表長さＤと流れている流体単独の圧力損失ｄｐｏの積）から、前記流体摩擦予測指標に基づいて予測する。
即ち、前記積が同一であれば、管径に関係なく、同一の流体摩擦に関するその低減状況が発生するとして、予測対象管内流れに発生する流体摩擦低減効果を予測することが可能となる。
例えば、流体摩擦予測指標にあっては、所定の設定濃度における流体摩擦と積との関係線が引けることとなるが、この関係線を利用して、流体摩擦に低減が起こる閾値を設定することができる。即ち、図１において、設定濃度を５００ｐｐｍとすれば、５０Ｐａを充分に流体摩擦低減効果が発揮される閾値とすることができる。従って、予測対象管内の流れにあって、その管内を流れる流体単独の圧力損出を測定して、管径を代表長さとして積を求めた場合、この積が５０Ｐａ以下の場合に、充分に摩擦低減効果を得ることができると予測できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
管内を水が流れる管内流れに関して、摩擦低減効果物を添加した場合と、添加しない場合との比較実験を行い、その結果を本願の手法に従って、整理した。
実験条件の概要は、以下のとおりである。これは、先に説明した図２のものに対応する。
0004446566.tif 000002
整理にあたっては、流れ場の代表長さＤとしては、管内径を採用して、各々の条件において管摩擦抵抗を測定して、整理した。
結果を、図１に示した。
この実証実験にあっては、摩擦低減添加物の濃度を５００ｐｐｍ、７５０ｐｐｍ、１０００ｐｐｍと３例に変化させると共に、それぞれの濃度に関して、管径３種に対して実験を行っている。
さて、例えば、濃度が５００ｐｐｍのもの（管径を異にするものを含む）に注目すると（これらは全て中黒の点として表示してある）、管径が異なっても、その摩擦低減効果が発揮される領域は共通している。従って、この濃度について、積と流体摩擦について一本の関係線が引ける。そして、５００ｐｐｍのものにあっては、５０〜６０Ｐａの積値を摩擦低減が充分に発揮される上限域とすることができる。この域は、管径の異なるものにおいて共通している。
濃度が７５０ｐｐｍのものは、中抜きの点として表されているが、この場合も、この濃度について一本の関係線が引ける。そして、７５０ｐｐｍのものにあっては、６０〜７０Ｐａの積値が摩擦低減が充分に発揮される上限域となっている。この域は、上記と同様に管径の異なるものにおいて共通している。
濃度が１０００ｐｐｍのものは、中斜線の点として表されているが、この場合、わずかなばらつきが認められるものの、この濃度について一本の関係線が引ける。そして、１０００ｐｐｍのものにあっては、７０〜９０Ｐａの積の値が摩擦低減が充分に発揮される上限域となっている。この域は、上記と同様に、管径の異なるものにおいて共通している。
従って、摩擦低減効果物の添加濃度にしたがって、積と流体摩擦との間で、異なった管径を有する管内の流れに関して統一的な関係曲線を得ることができ、結果的に、添加濃度が固定の場合は、いずれかの管径の管（この管を基準管と呼ぶ）に関して、積と流体摩擦との関係を得ておけば、異なった管径の管内流れるに発生する流体摩擦の状態を敷延的に推定することができる。
即ち、異なった管径内の流れを考える場合に、同一の積値を取っている流れにあっては、ほぼ同様な流体摩擦の低減効果（図１におけるＤＲがほぼ同一）が選られるものと予測できる。
【００１４】
さらに、管径の異なる管内を流れる流れで発生する流体摩擦を予測する場合は、以下のようにすることができる。
基礎データ収集工程において、摩擦低減効果物の濃度を所定の設定濃度に維持して、流体と摩擦低減効果物との混合流体を基準管内に流し、異なった圧力損出が発生する複数の流れ状態、それぞれに対して、流体摩擦を測定する。
その後、予測指標作成工程において、収集される流体単独の圧力損出と流体摩擦との関係を、流れ場の代表長さをＤ、流れ場における流体単独の圧力損失をｄｐ０とし、これら圧力損失ｄｐ０と代表長さＤとの積に基づいて整理して流体摩擦予測指標を得る。
そして、流体摩擦予測工程にあっては、予測対象管内に流体を流し、その流体単独の圧力損出を計測する。
このようにすると、この状態における積を求めることによって、予測対象管において発生する流体摩擦を、予め求められている流体摩擦予測指標における対応する流体摩擦と同程度と推定することができる。
同様に、予測対象管にあっては、その流れの代表長さＤが予め判明するため、所定の流体摩擦効果を得るために許容される流体単独の圧力損出がどの程度許容されるかを、流体摩擦予測指標から予測することができる。
従って、対象とする摩擦低減効果物種による摩擦低減効果、その添加の程度、さらには、対象とする管径の変化等に関して合理的な評価をおこなうことができる。
〔別実施形態〕
〈１〉  上記の実施の形態例にあっては、管内を流れる流体における管壁との摩擦低減効果の評価に関して説明したが、本願の評価方法は、壁面に沿って流れる流体に関して、壁面との間で発生する摩擦損失の評価に使用できる。
このような例は、例えば、船において、船底及び舷側を流れる流体内を流れる流体内に所定の大きさ、量の気泡を発生させて、摩擦低減を図る場合にも適応できる。この場合、気泡が摩擦低減効果物となる。
さらに、送油管によって搬送される油の搬送に際して、その搬送に要する動力の低減を目的とした圧力損失の低減効果等に関しても、適応できる。
【００１５】
〈２〉  上記の実施の形態にあっては、流路内を流れる流体としては、これが水である例を示したが、流体は任意のものであって良い。特に、比較的粘性が高く、壁面との間で摩擦損失の発生しやすい流体に対して、摩擦低減効果物を添加する場合の評価に有効に採用することができる。
【００１６】
〈３〉  上記の実施の形態にあっては、添加される摩擦低減効果物としては、これが塩化オレイルビスヒドロキシエチルメチルアンモニウム、サリチル酸ナトリウムである例を示したが、例えば、海水中に気泡を放出して舷側において発生する流体摩擦を低下させる場合は、水に対して摩擦低減効果物は、気泡となる。  また、例えば、走行する走行車両の周りに水滴を放散させて摩擦抵抗を低減することも可能であり、この場合、空気に対する摩擦低減効果物は水となる。さらに、水に対する摩擦低減効果物としては、ポリマー等を、採用することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】渦の流体力学的特性時間を代表する圧力損失と代表長さの積に基づいて実験結果を整理したグラフ
【図２】レイノルズ数Ｒｅに基づいて実験結果を整理したグラフ
【図１】
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【図２】
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