(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部を気液二相流が流れる配管の外部から、該配管の前記内部において気液二相流が発生し該内部から前記配管の外表面へ伝達してきた音をデータとして連続的に記録するデータ記録ステップ（Ａ）と、
記録したデータをカオス分析してフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求めるカオス分析ステップ（Ｂ）と、
フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫの大きさから気液二相流のフローパターンを判別する判別ステップ（Ｅ）と、を有し、
前記カオス分析ステップ（Ｂ）では、記録した音のデータから、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求める、ことを特徴とする気液二相流のフローパターン判別方法。
【請求項２】
前記データ記録ステップ（Ａ）において、前記気液二相流と非接触に、前記音をデータとして連続的に計測して記録する、ことを特徴とする請求項１に記載の気液二相流のフローパターン判別方法。
【請求項３】
前記データ記録ステップ（Ａ）において、前記音をマイクロフォンを使って計測する、ことを特徴とする請求項２に記載の気液二相流のフローパターン判別方法。
【請求項４】
既知の気液二相流のフローパターンに前記データ記録ステップ（Ａ）とカオス分析ステップ（Ｂ）を適応して、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫの大きさから気液二相流のフローパターンを判別する判別基準を作成する基準作成ステップ（Ｃ）を備え、
前記判別ステップ（Ｅ）において、未知の気液二相流から得られたフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫから前記判別基準によりフローパターンを判別する、ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の気液二相流のフローパターン判別方法。
【請求項５】
前記データ記録ステップ（Ａ）において、時間列ｔ1，ｔ2，…ｔn（ｎは整数）に対応する音の時系列ｘ1，ｘ2，…ｘnを記憶し、
前記カオス分析ステップ（Ｂ）において、ｍ次元相空間Ｘj、ｍ次元相空間Ｘjにおける２点ずつの距離ｒmi,j、相関積分Ｃm（ｒ）およびフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピＫを算出する、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の気液二相流のフローパターン判別方法。
【請求項６】
前記気液二相流のフローパターンは、気泡流、スラグ流、チャーン流（フロス流）、環状噴霧流、噴霧流のうち少なくとも２つである、ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の気液二相流のフローパターン判別方法。
【請求項７】
内部を気液二相流が流れる配管の外部から、該配管の前記内部において気液二相流が発生し該内部から前記配管の外表面へ伝達してきた音をデータとして連続的に記録するデータ記録ステップ（Ａ）と、
記録したデータをカオス分析してフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求めるカオス分析ステップ（Ｂ）と、
フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫの大きさから気液二相流のフローパターンを判別する判別ステップ（Ｅ）と、を有し、
前記カオス分析ステップ（Ｂ）では、記録した音のデータから、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求め、
前記データ記録ステップ（Ａ）において、時間列ｔ1，ｔ2，…ｔn（ｎは整数）に対応する音の時系列ｘ1，ｘ2，…ｘnを記憶し、
前記カオス分析ステップ（Ｂ）において、ｍ次元相空間Ｘj、ｍ次元相空間Ｘjにおける２点ずつの距離ｒmi,j、相関積分Ｃm（ｒ）およびフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピＫを算出し、
前記気液二相流のフローパターンは、スラグ流とチャーン流（フロス流）である、ことを特徴とする気液二相流のフローパターン判別方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、気液二相流のフローパターン判別方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
垂直上向きの気液二相流は、気体と液体の流量比により、図３に示すように、例えば、気泡流、スラグ流、チャーン流（フロス流）、環状噴霧流、噴霧流の異なるフローパターンとなる。このフローパターンは、圧力損失、伝熱特性、安定性に大きく影響する。従って、フローパターンの判別方法は、特に原子力やボイラーにおいて、その安定運転上、非常に重要となる。
【０００３】
気液二相流のフローパターンを判別する２つの方法が、従来から知られている。第１の方法は、目視観察で得られた相分布の幾何学的構造に基づくものである。しかしこの方法は主観的であり一般産業への適用は困難である。別の方法は、圧力変動、ボイド率、速度、温度等の計測データを処理し、気液二相流のダイナミック特性に基づきフローパターンを判別するものである。このデータ処理方法としては、フーリエ分析法や統計分析法が知られており、例えば以下の文献に開示されている。
【０００４】
（文献１）Ｊ．Ｄｒａｈｏｓ ａｎｄ Ｊ．Ｃｅｒｍａｋ，"Ｄｉａｇｎｏｓｔｉｃ ｏｆ Ｇａｓ-ｌｉｑｕｉｄ Ｆｌｏｗ Ｐａｔｔｅｒｎ ｉｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ"，Ｃｈｅｍ．Ｅｎｇ．Ｐｒｏｃｅｓｓ．， Ｖｏｌ．２６，ｐｐ．１４７-１６４（１９８９）
（文献２） Ｇ．Ｍａｔｓｕｉ，"Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｆｌｏｗ Ｒｅｇｉｍｅｓ ｉｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｇａｓ-ｌｉｑｕｉｄ Ｔｗｏ-ｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ Ｕｓｉｎｇ Ｄｉｆｆｅｎｔｉａｌ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎｓ"，Ｉｎｔ．Ｊ．Ｍｕｌｔｉｐｈａｓｅ Ｆｌｏｗ Ｖｏｌ．１０，Ｎｏ．６，ｐｐ．７１１-７２０（１９８４）
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述した従来の判別方法は、いずれも気液二相流のフローパターンを客観的に判別するには不十分だった。すなわち、フーリエ分析法、線型システムに適したフーリエ変換に基づくものであり、統計分析法は、ランダムシステムに適した静的解析のものである。しかし、気液二相流のフローパターンは、線型システムの一面があるが、ランダムシステムの側面もあり、どちらの方法でも、その判別の正解率が低い問題点があった。
【０００６】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち本発明の目的は、内部が目視観察できない配管内の気液二相流のフローパターンを、配管およびその流れに影響を与えることなく、外部から高い正解率（精度）で、客観的に判別することができる気液二相流のフローパターン判別方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
カオスとは、決定論に従うシステムでありながら、決まった単純な振舞いでなく、複雑で、不規則かつ不安定なふるまいを示す。本発明の発明者等は、気液二相流のフローパターンがカオスに近似しているため、気液二相流の複雑な現象をカオス理論的に分析することによって、その現象の特性を把握できる可能性があることに着眼した。本発明はかかる新規な着眼に基づくものである。
【０００８】
すなわち、本発明によれば、内部を気液二相流が流れる配管の外部から、該配管の前記内部において気液二相流が発生し該内部から前記配管の外表面へ伝達してきた音をデータとして連続的に記録するデータ記録ステップ（Ａ）と、記録したデータをカオス分析してフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求めるカオス分析ステップ（Ｂ）と、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫの大きさから気液二相流のフローパターンを判別する判別ステップ（Ｅ）と、を有し、前記カオス分析ステップ（Ｂ）では、記録した音のデータから、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求める、ことを特徴とする気液二相流のフローパターン判別方法が提供される。
【０００９】
本発明の好ましい実施形態によれば、既知の気液二相流のフローパターンに前記データ記録ステップ（Ａ）とカオス分析ステップ（Ｂ）を適応して、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫの大きさから気液二相流のフローパターンを判別する判別基準を作成する基準作成ステップ（Ｃ）を備え、前記判別ステップ（Ｅ）において、未知の気液二相流から得られたフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫから前記判別基準によりフローパターンを判別する。
【００１０】
前記データ記録ステップ（Ａ）において、時間列ｔ1，ｔ2，…ｔn（ｎは整数）に対応する音の時系列ｘ1，ｘ2，…ｘnを記憶し、前記カオス分析ステップ（Ｂ）において、ｍ次元相空間Ｘｊ、ｍ次元相空間Ｘｊにおける２点ずつの距離ｒmi,j、相関積分Ｃm（ｒ）およびフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピＫを算出する。
【００１１】
前記気液二相流のフローパターンは、気泡流、スラグ流、チャーン流（フロス流）、環状噴霧流、噴霧流のうち少なくとも２つである。
【００１２】
上記本発明の方法によれば、気液二相流が発生する音をデータとして気液二相流のフローパターンを判別するので、発生音はマイクロフォンを使って非接触で計測でき、配管およびその流れに影響を与えることなく、配管内のフローパターンを判別できる。従ってとりわけ既設配管のフローパターン判別に有効である。
【００１３】
また、気液二相流のフローパターンは、線型システムやランダムシステムよりも、カオスに近似しているため、気液二相流の複雑な現象をカオス理論的に分析することによって、外部から高い正解率（精度）で、客観的に判別できることが実施例で確認された。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において共通する部分には同一の符号を付して使用する。
【００１５】
図１は、本発明の気液二相流のフローパターン判別方法のフロー図である。この図に示すように、本発明の方法は、データ記録ステップ（Ａ）、カオス分析ステップ（Ｂ）、基準作成ステップ（Ｃ）及び判別ステップ（Ｅ）からなる。
【００１６】
データ記録ステップ（Ａ）（Ｓ１、Ｓ４）では、内部を気液二相流が流れる配管の外部から、気液二相流が発生する音をデータとして連続的に記録する。すなわち、このデータ記録ステップ（Ａ）において、時間列ｔ1，ｔ2，…ｔn（ｎは整数）に対応する音の時系列ｘ1，ｘ2，…ｘnを記憶する。
【００１７】
カオス分析ステップ（Ｂ）（Ｓ２、Ｓ５）では、記録したデータをカオス分析してフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求める。すなわち、このカオス分析ステップ（Ｂ）において、後述するカオス理論式により、ｍ次元相空間Ｘj、ｍ次元相空間Ｘjにおける２点ずつの距離ｒmi,j、相関積分Ｃm（ｒ）およびフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピＫを算出する。
【００１８】
基準作成ステップ（Ｃ）では、既知の気液二相流のフローパターンに前記データ記録ステップ（Ａ）とカオス分析ステップ（Ｂ）を適応して、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫを求め、その大きさから気液二相流のフローパターンを判別する判別基準を作成する。
【００１９】
判別ステップ（Ｅ）では、未知の気液二相流から得られたフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピーＫから前記判別基準によりフローパターンを判別する。なお、上述した既知の気液二相流の未知の気液二相流は、その運転条件をできる限り一致させることが好ましい。
【００２０】
また上述した気液二相流のフローパターンは、気泡流、スラグ流、チャーン流（フロス流）、環状噴霧流、噴霧流等に区分できるが、原子力やボイラーにおいて、その安定運転上重要となる少なくとも２つのフローパターンを対象とするのがよい。
【００２１】
次ぎに、フラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピＫの算出方法を具体的に説明する。
１．はじめに音の強さの時係列ｘ1，ｘ2，…ｘnから［数１］の式（１）により、ｍ次元相空間Ｘjに転移させ、ｍ次元相空間Ｘjの点を作る。
２．次いで、ｍ次元相空間Ｘjにおける２点ずつの距離ｒmi,jを式（２）により計算する。
３．次に相関積分Ｃm（ｒ）を式（３）により計算する。ただし、Ｈは式（４）のＨｅａｖｉｓｉｄｅ関数であり、ｒは任意の距離である。
４．最後にフラクタル次元ＤとコルモゴロフエントロピＫを式（５）（６）により計算する。ただし、τはサンプリング周期である。
【００２２】
【数１】
0003925638.tif 000002
【００２３】
【実施例】
図２は、本発明の実施例を示す図である。この図において、（Ａ）（Ｂ）は同一のデータに基づくものであり、横軸はコルモゴロフエントロピＫ、縦軸はフラクタル次元Ｄを示している。また図中菱形（◆）はスラグ流の場合、四角（■）はチャーン流の場合であり、２つの三角（▲）は未知のケースである。上述の基準作成ステップ（Ｃ）による判別基準の例として、（Ａ）では、コルモゴロフエントロピＫの大小により、（Ｂ）では楕円で囲んだ領域による判別を示している。
【００２４】
図２の例では、１つの例外を除いて、スラグ流とチャーン流のデータは主にＫの値に対してそれぞれまとまった分布を示している。さらに、未知の２ケースのデータＱに対して本発明のカオス特性解析を行ったところ、それぞれスラグ流、チャーン流の領域内に分布し、判別結果は実現象と一致した。この結果から、カオス特性解析により二相流の流動状態を判別することが可能であることが確認された。
【００２５】
上述した本発明の方法によれば、気液二相流が発生する音をデータとして気液二相流のフローパターンを判別するので、発生音はマイクロフォンを使って非接触で計測でき、配管およびその流れに影響を与えることなく、配管内のフローパターンを判別できる。従ってとりわけ既設配管のフローパターン判別に有効である。
【００２６】
また、気液二相流のフローパターンは、線型システムやランダムシステムよりも、カオスに近似しているため、気液二相流の複雑な現象をカオス理論的に分析することによって、外部から高い正解率（精度）で、客観的に判別できる。
【００２７】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々に変更できることは勿論である。
【００２８】
【発明の効果】
上述したように、本発明の気液二相流のフローパターン判別方法は、内部が目視観察できない配管内の気液二相流のフローパターンを、配管およびその流れに影響を与えることなく、外部から高い正解率（精度）で、客観的に判別することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の気液二相流のフローパターン判別方法のフロー図である。
【図２】本発明の実施例を示す図である。
【図３】垂直上向きの気液二相流のフローパターンの模式図である。
【符号の説明】
ｔ1，ｔ2，…ｔn 時間列
ｘ1，ｘ2，…ｘn 音又は歪の強さの時系列
Ｘj ｍ次元相空間
ｒmi,j ｍ次元相空間Ｘjにおける２点ずつの距離
Ｃm（ｒ） 相関積分
Ｈ Ｈｅａｖｉｓｉｄｅ関数
ｒ 任意の距離
Ｄ フラクタル次元
Ｋ コルモゴロフエントロピ
τ サンプリング周期
【図１】
0003925638.tif 000003
【図２】
0003925638.tif 000004
【図３】
0003925638.tif 000005