(57)【要約】【課題】液体中の試験体を支持する部材が液体の流れに晒されることによる実験結果への影響を排除する。【解決手段】水路２ａ内を流れる液体の外に計測装置３を設置し、計測装置３に端部を接続すると共に水路２ａ内の液体の流れの方向と同じ方向に配置した線状の繋留部材４で試験体５を水路２ａ内に繋留して液体の流れ中の試験体５に作用する流体力の測定を行うようにした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路内を流れる液体の外に計測装置を設置し、前記計測装置に端部を接続すると共に前記水路内の前記液体の流れの方向と同じ方向に配置した線状の繋留部材で試験体を前記水路内に繋留して前記液体の流れ中の前記試験体に作用する流体力の測定を行うことを特徴とする流体力測定方法。
【請求項２】
水路と、前記水路内を流れる液体の外に設置された計測装置と、前記計測装置に端部が接続されると共に前記水路内の前記液体の流れの方向と同じ方向に配置されて試験体を前記水路内に繋留する線状の繋留部材とを有することを特徴とする流体力測定装置。
【請求項３】
前記水路内の前記液体の流れの方向及び前記繋留部材の配置方向が重力方向であることを特徴とする請求項２記載の流体力測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体力測定方法及び装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、液体の流れ中の物体に作用する流体力の測定方法及び装置に関する。
【０００２】
本明細書において、流体力とは、液体の流れ中の物体に作用する荷重を意味するものとして用いている。
【背景技術】
【０００３】
液体中に試験体を設置して種々の実験や計測を行う場合の従来の試験体の支持の仕方としては、例えば鉄道車両の模型試験装置がある（特許文献１）。この模型試験装置１１０は、図８に示すように、車両模型１１１を軌道模型１１２に沿って曳航水槽１１３内の静水１１４中を走行させて試験を行うものである。試験体である車両模型１１１は保持部材１１５、取付部材１１６及び吊り下げ部材１１７により支持される。そして、保持部材１１５が固定されている曳引台車１１８の車輪１１９が走行可能なレール１２０に沿って曳引台車１１８を移動させることにより車両模型１１１を曳航して種々の実験や計測を行う。
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２４３５０６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の模型試験装置１１０では、車両模型１１１の走行方向と直交する方向で吊り下げ部材１１７が静水１１４に晒される。このため、流体力の計測装置を例えば保持部材１１５に固定すると共に計測装置と取付部材１１６とを接続し、取付部材１１６及び吊り下げ部材１１７により車両模型１１１を支持すると共に車両模型１１１に作用する流体力を計測装置に伝達する場合には、吊り下げ部材１１７に作用する流体力が実験結果に反映されたり、吊り下げ部材１１７により水流が乱されて車両模型１１１に作用する流体力に影響を与え、厳密な計測を行うことができないという問題がある。また、車両模型１１１の走行方向と直交する方向で静水１１４に晒されることにより吊り下げ部材１１７が変形してしまうと車両模型１１１に作用する流体力を計測装置に正確に伝達することができない。このため、車両模型１１１の曳航速度が速いほど、若しくは車両模型１１１が大きいほど又は重いほど吊り下げ部材１１７は変形しないように十分な大きさの断面を有するように形成されるので、吊り下げ部材１１７が静水１１４に晒されることによる実験結果への影響が大きくなるという問題がある。
【０００６】
そこで、本発明は、液体中の試験体を支持する部材が液体の流れに晒されることによる実験結果への影響を排除する流体力測定方法及び装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の流体力測定方法は、水路内を流れる液体の外に計測装置を設置し、計測装置に端部を接続すると共に水路内の液体の流れの方向と同じ方向に配置した線状の繋留部材で試験体を水路内に繋留して液体の流れ中の試験体に作用する流体力の測定を行うようにしている。
【０００８】
また、請求項２記載の流体力測定装置は、水路と、水路内を流れる液体の外に設置された計測装置と、計測装置に端部が接続されると共に水路内の液体の流れの方向と同じ方向に配置されて試験体を水路内に繋留する線状の繋留部材とを有するようにしている。
【０００９】
したがって、この流体力測定方法及び装置によると、水路内の液体の流れの方向と試験体を繋留する繋留部材の方向とを一致させた状態で液体の流れ中の試験体に作用する流体力の測定を行うことができる。
【００１０】
また、請求項３記載の発明は、請求項２記載の流体力測定装置において、水路内の液体の流れの方向及び繋留部材の配置方向が重力方向であるようにしている。この場合には、重力に従って液体を水路に流すと共に、重力に従って試験体を繋留部材で繋留する即ち吊り下げることにより、水路内の液体の流れの方向と繋留部材の方向とを一致させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１及び２記載の流体力測定方法及び装置によれば、水路内の液体の流れの方向と試験体を繋留する繋留部材の方向とを一致させることにより、繋留部材が液体の流れの影響を受けたり、液体の流れを乱すことなく試験体に作用する流体力の測定を行うことができるので、繋留部材が液体の流れに晒されることによる影響を排除した正確な流体力の測定を行うことができる。
【００１２】
また、請求項３記載の流体力測定装置によれば、重力に従って液体を流すと共に重力に従って試験体を繋留することにより、水路内の液体の流れの方向と繋留部材の方向とを容易に一致させることができ、流体力測定装置の構造を簡単にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１に、本発明の流体力測定装置の実施形態の一例を示す。なお、本実施形態では、円柱形の試験体５を水平方向に設置し、試験体５に作用する抗力（即ち鉛直方向に作用する力）を測定する場合を例に挙げている。
【００１５】
この流体力測定装置１は、水路２ａと、水路２ａ内を流れる液体の外に設置された計測装置３と、計測装置３に端部が接続されると共に水路２ａ内の液体の流れの方向と同じ方向に配置されて試験体５を水路２ａ内に繋留する線状の繋留部材４とを有する。
【００１６】
水路２ａは筒状に形成され、重力方向に配置される。水路２ａの断面の形状は特に限定されるものではなく、本実施形態のように四角形でも良いし、又はその他の多角形でも良く、更に円形や楕円形でも良い。また、水路２ａの断面の大きさや高さも特に限定されるものではなく、試験体５の大きさに合わせて適切な断面の大きさ及び高さに決定される。
【００１７】
流体力の測定中は、水路２ａ内全体に充満させて液体が流される。即ち、水路２ａ内では自由液面がない状態での流体力の測定が行われる。本実施形態では、継続して水路２ａ内に充満させて液体を流すため、重力方向の水路２ａと、水路２ａよりも断面が大きく水路２ａの上端部と連続して形成された貯水部２ｂとを有する漏斗型水槽２が用いられている。なお、水路２ａに流す液体としては、通常は、取り扱いが容易であると共に安全であることから水が用いられる。しかしながら、液体の種類はこれに限定されるものではなく、試験の目的に合わせて、例えば粘性を有する液体等が用いられるようにしても良い。
【００１８】
計測装置３は、水路２ａ内の水流９ａによって試験体５に作用する流体力を繋留部材４に掛かる荷重として測定するものであり、具体的には例えば張力型のロードセルが用いられる。計測装置３は、繋留部材４と接続する側を鉛直下向きにして漏斗型水槽２の上方の固定部１５に固定される。なお、固定部１５は、本実施形態の場合、例えば、流体力測定装置１を設置した実験室や流体力測定装置１のハウジングの天井である。
【００１９】
繋留部材４は、水路２ａ内に試験体５を吊り下げると共に、水流９ａによって試験体５に作用する流体力を繋留部材４に掛かる荷重として計測装置３に伝達するものである。このため、繋留部材４は、水流９ａによって流体力が作用する試験体５を支持するのに十分な強度、並びに試験体５に作用する流体力を正確に計測するために水流９ａによって試験体５に作用する流体力程度では伸縮しない非伸縮性を少なくとも有するものであれば良い。また、繋留部材４は、水流９ａに晒されることによる流体力の発生及び水流９ａの乱れの発生を排除するために線状のものであることが望ましく、細いものほど望ましい。例えば、ピアノ線やケプラー繊維（米国デュポン社製パラ系アラミド繊維の登録商標）、カーボン繊維、スペクトラ繊維（米国アライドシグナル社の登録商標）、ザイロン（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）を液晶紡糸した繊維）などの使用が好ましい。
【００２０】
本実施形態では、流体力測定装置１は、試験体５を一定方向に移動可能に支持する支持機構１０を試験体５の左右両端部のそれぞれに備える。支持機構１０は、図４に示すように、スライド１０ａと、連結棒１０ｂと、端板１０ｃとで構成される。
【００２１】
スライド１０ａは、長方形の薄板状に形成されると共に、片側の面の中央に起立する連結棒１０ｂを備える。そして、連結棒１０ｂを試験体５の左右の端部の中央に差し込むことにより、スライド１０ａは試験体５の左右両端部のそれぞれに水平の試験体５に対して垂直に固定される。また、試験体５に対して垂直に取り付けられた状態のスライド１０ａの上端と繋留部材４とが連結され、これにより、試験体５がスライド１０ａを介して繋留部材４によって支持されて水路２ａ内に吊り下げられる。
【００２２】
スライド１０ａは、連結棒１０ｂが起立する面と反対側の面に車輪１０ｆを備える。車輪１０ｆは、スライド１０ａが水路２ａの軸心方向に移動可能な方向に取り付けられており、これにより、試験体５の移動は水路２ａの軸心方向のみに制限される。本実施形態では、スライド１０ａの四隅のそれぞれに一つずつ合計四つの車輪１０ｆが備えられている。なお、車輪１０ｆの代わりに、例えばベアリングを有する滑面が備えられるようにしても良い。
【００２３】
ここで、水路２ａの内壁面近傍の流れは内壁面との摩擦の影響で他の部分と比べて遅くなる。このため、支持機構１０は、水路２ａの内壁面近傍の部分と試験体５を隔離するために試験体５とスライド１０ａとの間に端板１０ｃを備える。端板１０ｃは円盤状の薄板で、片側の面の周縁部に等間隔に同じ長さの四本の取付脚を備える。そして、四本の取付脚を水路２ａの内壁面に固定することにより端板１０ｃは水路２ａの内壁面に固定される。また、端板１０ｃは連結棒１０ｂと干渉しないように連結棒１０ｂを貫通させるための開口を備えている。なお、試験体５の左右両端部にスライド１０ａを取り付けた状態で連結棒１０ｂを進入させることができるように、この開口は端板１０ｃの上端から設けられている。
【００２４】
また、本実施形態では、漏斗型水槽２は、水路２ａからの排水量を調整して水路２ａ内の水流９ａの流速を調整するため、水路２ａの下端にバルブ６を備える。バルブ６を通過した液体は排水口７からＵ型の排水路８に排出され、排水路８を通って貯水槽１４に流れ落ちる（図中の水流９ｂ）。排水路８は支持台１３の上面に固定され、排水口７を下から囲むように設けられている。支持台１３は、漏斗型水槽２の下方に設けられた貯水槽１４上面の開放部を跨いで貯水槽１４の上端縁に固定されている。
【００２５】
貯水槽１４に溜められた液体はポンプ１１により管路１２を通って貯水部２ｂに汲み上げられる（図中の水流９ｃ）。この構成により、漏斗型水槽２と貯水槽１４との間で液体を循環させながら、水路２ａに流速の調整が可能な水流９ａを発生させて試験体５に作用する流体力の計測を行うことができる。
【００２６】
上述した流体力測定装置１を用いた流体力の測定方法を以下に説明する。
【００２７】
繋留部材４の先端に連結しているスライド１０ａを漏斗型水槽２の中から取り出し、スライド１０ａの連結棒１０ｂを差し込むことにより試験体５の左右両端部にスライド１０ａを取り付ける。そして、繋留部材４を掴みながら、スライド１０ａを取り付けた試験体５を水路２ａ内に徐々に降下させ、連結棒１０ｂを端板１０ｃの開口に進入させて試験体５を水路２ａ内に繋留する。なお、試験体５を水路２ａ内に繋留する作業は、作業者が水路２ａ内に入って行うようにしても良い。
【００２８】
試験体５を水路２ａ内に繋留する作業は、バルブ６を閉じて漏斗型水槽２内に液体を溜めた状態で行うようにしても良いし、又は漏斗型水槽２内には液体がない状態で行うようにしても良い。また、漏斗型水槽２内に液体がない状態で試験体５を水路２ａ内に繋留する作業を行った場合には、試験体５の繋留作業後に、バルブ６を閉じると共にポンプ１１を駆動させて漏斗型水槽２内に液体を溜め、液体が所定量となった後にポンプ１１を停止させる。
【００２９】
また、計測装置３を起動させる。そして、液体を溜めた水路２ａ内に試験体５を繋留させた状態での計測装置３の計測値を水流９ａを発生させる前の計測値として記録する。なお、計測装置３の計測値の記録は、例えば、電子記憶媒体を有し計測装置３に接続された記録装置に記録させたり、又は作業者が書き留めておくようにする。
【００３０】
バルブ６を開けて水路２ａ内に水流９ａを発生させると共にポンプ１１を駆動させて漏斗型水槽２と貯水槽１４との間で液体を循環させる。なお、水路２ａ内の水流９ａの流速が試験内容に合わせて設定された所定の流速になるようにバルブ６の開口量を調整する。更に、ポンプ１１の液体の汲み上げ量が水路２ａからの排水量と同程度になるようにポンプ１１の液体の汲み上げ速度を調整する。なお、ポンプ１１により汲み上げられた液体は、貯水部２ｂに一旦溜められることにより流動が収まる。すなわち、貯水部２ｂは、液体が水路２ａに流れ込むことにより発生する水流９ａを整流する働きを持つ。
【００３１】
水路２ａ内に水流９ａを発生させた状態で、計測装置３の計測値を水流９ａ中の試験体５に作用する流体力として記録する。
【００３２】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれ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において種々変形実施可能である。例えば、本実施形態では、試験体５の左右両端に支持機構１０が備えられると共に、二つの支持機構１０を介して二本の繋留部材４を用いて試験体５が繋留されるようにしているが、これには限られず、図２に示すように、繋留部材４と試験体５の上端とが直接連結されると共に、一本の繋留部材４で試験体５が繋留されるようにしても良い。
【００３３】
また、本実施形態では、水路２ａの下端にバルブ６を設けることにより水流９ａの流速が調整されると共に、水路２ａから排出された液体は貯水槽１４に一旦溜められてからポンプ１１により貯水部２ｂに汲み上げられるようにしているが、これには限られず、図３に示すように、バルブ６を設けずに排水口７と管路１２とが直接連結されると共に、ポンプ１１により排水口７から排出される液体が直接貯水部２ｂに汲み上げられるようにしても良い。この場合には、排水路８及び貯水槽１４を設ける必要がなく流体力測定装置１をより簡単な構造とすることができるので、装置の小型化と共にコストダウンを可能にするという効果を発揮する。なお、この構成の場合には、ポンプ１１による液体の汲み上げ速度を調整することにより水路２ａ内の水流９ａの流速が調整される。
【００３４】
また、本実施形態では、支持機構１０は、試験体５に作用する効力を測定するために水路２ａの軸心方向のみに移動可能な機構として構成されているが、試験体５に作用する揚力を測定する場合には、支持機構１０は水路２ａの軸心と直交する方向のみに移動可能な機構として構成されるようにしても良い。この場合には、図５に示すように、スライド１０ａが水路２ａの軸心と直交する方向に移動可能な方向に取り付けられた車輪１０ｆを備えたスライド１０ａを用いる。そして、計測装置３から吊り下げられて重力方向に配置された繋留部材４の方向を滑車１０ｄを介して水路２ａの軸心と直交する方向に変えた上でスライド１０ａの左右（即ち水路２ａの軸心と直交する方向）のいずれか一方の端部と連結させる。また、スライド１０ａの他方の端部には先端に錘１０ｅを有する繋留部材４を滑車１０ｄを介して連結させる。なお、滑車１０ｄは、スライド１０ａの水平中心軸の延長線上のスライド１０ａの左右の端部から離れた位置で水路２ａの内壁面に設けられる。この場合には、試験体５に対して水平方向に作用する揚力が滑車１０ｄを介して重力方向に変換された上で繋留部材４によって計測装置３に伝達される。
【００３５】
また、試験体５に作用する揚力を測定する場合には、上記の構成の他に、図６に示すように、水路２ａの軸心と直交する方向に移動可能なスライド１０ａを用いると共に、計測装置３から吊り下げられた繋留部材４の方向を滑車１０ｄを介して水路２ａの軸心と直交する方向に変えた上でスライド１０ａの左右両端部と連結させる構成とすることも可能である。この場合には、試験体５の左側のスライド１０ａに対して二本の繋留部材４と二個の計測装置３を設け、更に右側のスライド１０ａに対しても二本の繋留部材４と二個の計測装置３を設け、合計で四本の繋留部材４と四個の計測装置３とを設ける。そして、繋留部材４によって伝達される荷重の差から試験体５に作用する揚力が測定される。
【００３６】
また、本実施形態では、流体力測定装置１は支持台１３を有する構成としているが、支持台１３を設けずに、流体力測定装置１の設置場所の床や地面に排水路８等を設けるようにしても良い。そして、貯水槽１４を床下や地下に設けるようにしても良い。
【００３７】
また、本実施形態では、計測装置３は天井１５に固定されるようにしているが、これには限られず、繋留部材４と接続する側を上向きにして計測装置３を例えば支持台１３の上面に固定すると共に、滑車を介して繋留部材４と計測装置３とを接続させる構成とすることも可能である。
【００３８】
また、本実施形態では、重力方向の水路２ａと、水路２ａよりも断面が大きく水路２ａの上端部と連続して形成された貯水部２ｂとを有する漏斗型水槽２が用いられているが、これには限られず、継続して水路２ａ内に充満させて液体が流されるものであればどのような形状の水槽でも良い。具体的には例えば、重力方向の水路と、この水路の径と同程度若しくは水路の径より広い幅を有し水路の上端部と連続して形成された水平若しくは傾斜したＵ型水路とを有する水槽でも良い。この場合も、ポンプにより汲み上げられた液体をＵ型水路内に溜めると共に水路に流入させることにより、継続して水路内に充満させて液体を流すことができる。
【００３９】
更に、本実施形態では、貯水部２ｂと連続して形成される水路２ａを貯水部２ｂの底面から重力方向に突出させて設けるようにしているが、これには限られず、図７に示すように、水路２ａを貯水部２ｂの側面から水平方向に突出させて設けるようにしても良い。この場合も、水路２ａ内全体に充満させて液体を流すことができる。なお、この場合には、水路２ａの内壁面に水平方向のレール１０ｇを設け、試験体５の左右両端に取り付けたスライド１０ａの車輪１０ｆをレール１０ｇ上を移動させることにより、試験体５を水路２ａ内の水流９ａ中に水平移動可能に支持する。これにより、試験体５に作用する水平方向の流体力を繋留部材４に掛かる荷重として計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の流体力測定装置の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図２】本発明の流体力測定装置の他の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図３】本発明の流体力測定装置の更に他の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の流体力測定装置の支持機構の一例を示す概略構成図である。（Ａ）は支持機構の平面図である。（Ｂ）は支持機構の側面図である。
【図５】本発明の流体力測定装置の他の支持機構の一例を示す概略構成図である。（Ａ）は支持機構の平面図である。（Ｂ）は支持機構の側面図である。
【図６】本発明の流体力測定装置の更に他の支持機構の一例を示す概略構成図である。（Ａ）は支持機構の平面図である。（Ｂ）は支持機構の側面図である。
【図７】本発明の流体力測定装置の更に他の実施形態の一例を示す概略構成図である。
【図８】従来の液体中の試験体の支持の仕方を示す側面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  流体力測定装置
２  水槽
２ａ  水路
３  計測装置
４  繋留部材
５  試験体
【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】
2007178206.tif 000009
【図８】
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