(57)【要約】【課題】液体の旋回や液体のスロッシング現象を抑止する方法を提供することである。【解決手段】液体の旋回又はスロッシング現象が起こる前に、直径ＤSが０．２ＨL（ＨL：液深）以上の円板を液体の液面に接触させておくことを特徴とする方法が提供される。また、旋回又はスロッシング現象を起こしている液体の液面に、直径ＤSが０．３２Ｄ（Ｄ：液体を保持している容器の直径）以上の円板を接触させることを特徴とする方法が提供される。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法であって、
液体の旋回又はスロッシングが起こる前に、直径が０．２ＨL（ＨL：液深）以上の円板を液面に接触させておくことを特徴とする方法。
【請求項２】
液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法であって、
旋回又はスロッシングを起こしている液面に、直径が０．３２Ｄ（Ｄ：液体を保持している容器の直径）以上の円板を接触させることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体の旋回や液体のスロッシングを抑止する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
円筒容器、球状容器あるいは多角形容器内に保持された液体中に容器底部に設置したノズルなど（突き抜けたノズルやＪ字ランスを含む）から気体、液体、又は気体と液体の混合流体を吹き込むと、気泡噴流、液体噴流、又は気液二相噴流の旋回が生ずる。このような旋回が生ずると、液体は非常に強く攪拌されることから、融雪や汚水・排水処理等に利用されている。本発明者も、このような旋回現象を利用した種々の攪拌装置を提案している（特許文献１〜５参照）。
【０００３】
【特許文献１】特許第３０５８８７６号公報
【特許文献２】特許第４１９５７８２号公報
【特許文献３】特許第４３８４４７７号公報
【特許文献４】特許第４７１００７０号公報
【特許文献５】特許第５５４７１５７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、液体の旋回が発生すると、液体を保持している容器が振動するうえ、液体の横溢（スロッピング）も起こり、危険である。そこで、旋回現象を液体の攪拌に用いない場合には、液体の旋回を抑止する必要がある。
【０００５】
一方、航行時の原油輸送タンカーや地震時の石油貯蔵タンク等では、上述のように噴流を吹き込まなくても、外振によりスロッシングが発生し、これにより設備が振動する原因となるので（タンカーやタンク内に貯蔵された油量が多量であるため、スロッシングが発生すると、運動エネルギーが非常に大きく、危険性が高い）、このような場合にも、スロッシングを抑止する必要がある。
【０００６】
本発明は、このような状況に鑑みて開発されたものであって、液体の旋回や液体のスロッシングを抑止する方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の方法を説明するのに先立って、液体の旋回現象が発生する理由について考察する。上述のように、容器内に保持された液体中に容器底部に設置したノズルなど（突き抜けたノズルやＪ字ランスを含む）から気泡噴流、液体噴流、又は気液二相噴流が吹き込まれると、気泡噴流、液体噴流、又は気液二相噴流が上昇して液面に衝突し、液面が盛り上がって上下方向に振動し、これにより液体の旋回現象が発生する（図１参照）。この旋回現象は、液体を入れた容器を上下方向に揺すった場合（上下方向、水平方向など）に生ずるスロッシングと同様な現象である。したがって、液体の旋回現象の周期などの基本的特性は、液体を入れた容器を外部から揺すったときに生ずるスロッシングとよく似ている。
【０００８】
液体の旋回現象が発生するのは、上述のように、気泡噴流などの液面への衝突時に生ずる液面の盛り上がりの揺動である。本発明者は、この点に着目し、液面の盛り上がりをなくすれば、液体の旋回を抑止できると発想した。すなわち、液面に円板を接触させることにより、液体の旋回が抑止される。なお、液体中に円板を浸漬させると、液面に円板を接触させる場合と同様に液体の旋回が抑止されると予想されるが、液体中への円板の浸漬により液体の汚染などが生ずるおそれがあるので、液体の旋回を抑止する方法としては、液面に円板を接触させる方がよりこの好ましい。
【０００９】
一方、外振によるスロッシングも、上述のような液体の旋回とよく似た物理現象である。図２は、液体噴流の吹き込みによる液体の旋回現象発生時と外振によるスロッシング発生時における液体内部の速度分布を比較して示したグラフである。図２において縦軸は液体内部の速度ｕz（ｍ/ｓ）、横軸は液体内部の位置ｙ（ｍ）を示しており（ｙ＝０は液体噴流の吹き込み箇所）、実線は液体噴流の吹き込みの場合の速度分布、破線は外振によるスロッシングの場合の速度分布をそれぞれ示している。図２から分かるように、ｙ＝０（液体噴流の吹き込み箇所）の近傍を除いて、両者の速度分布はほぼ同じである。また、この液体噴流の吹き込み箇所の領域は、後述する液体の旋回直径ＤC＝０．３７Ｄよりも小さい。したがって、一旦発生した液体の旋回又はスロッシングを抑止する方策として、噴流による場合と外振による場合とを問わず、同じ手法を採用することができる。
【００１０】
液面の盛り上がりをなくする方策としては、液体の旋回又はスロッシングが発生する前に予め液面に所要の大きさの円板（直径ＤS）を接触させておく方法（図３（ａ）参照）と、旋回している液面に所要の大きさの円板（直径ＤS）を接触させる方法（図３（ｂ）参照）の２つに大別される。液体の旋回又はスロッシングを抑止するのに必要な円板の大きさについては、発明を実施するための形態の項において詳述する。
【００１１】
本願請求項１に記載された液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法は、液体の旋回又はスロッシングが起こる前に、直径が０．２ＨL（ＨL：液深）以上の円板を液面に接触させておくことを特徴とするものである。
【００１２】
本願請求項２に記載された液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法は、旋回又はスロッシングを起こしている液面に、直径が０．３２Ｄ（Ｄ：液体を保持している容器の直径）以上の円板を接触させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、簡単な方法で、液体の旋回又はスロッシングを効果的に抑止することができる。特に、本発明は、航行時の原油輸送タンカーや地震時の石油貯蔵タンク等を安全に維持することができる点において、有用である。また、化学プロセス、水処理、食品製造等における攪拌工程の後に液体を沈静化して次工程を実施する必要があるときに、本発明の方法を用いて液体の旋回を停止させ、迅速に次工程に移行しようとする場合にも、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】液体の液面が盛り上がることに伴って生じた旋回現象の状態を示した模式図である。
【図２】液体噴流の吹き込みによる液体の旋回現象発生時と外振によるスロッシング発生時における液体内部の速度分布をそれぞれ示したグラフである。
【図３】液体の旋回を抑止する２つの方法を示した模式図である。
【図４】図４（ａ）は、容器底面から気体を吹き込んだ際の液面の盛り上がり部の直径を求めるための実験１の実験装置の模式図、図４（ｂ）は、実験１の結果を示したグラフである。
【図５】容器底面中央から気体を吹き込んだ場合における旋回の発生の有無を調べた実験２の結果を示した図である。
【図６】実験２において液体の旋回前に液面に円板（直径８０ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【図７】実験２において液体の旋回前に液面に円板（直径６４ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【図８】実験２において液体の旋回前に液面に円板（直径４８ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【図９】実験２において液体の旋回前に液面に円板（直径３２ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【図１０】容器底面から気体を吹き込んだ際に液面に生ずる旋回の直径を求めるための実験３の結果を示したグラフである。
【図１１】実験２において旋回している液体の液面に円板（直径８０ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【図１２】実験２において旋回している液体の液面に円板（直径６４ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【図１３】実験２において旋回している液体の液面に円板（直径４８ｍｍ）を接触させた状態を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に図面を参照して、本発明の好ましい実施の形態に係る液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法について説明する。液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法について、液体の旋回又はスロッシングが起こる前に方策を講じて旋回が起こらないようにする方法と、一旦発生した液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法の２つに分けて説明する。
【００１６】
（液体の旋回又はスロッシングが起こる前に抑止する方法）
容器底面から気体を吹き込んだ際の液面の盛り上がり部の直径を求めるため、実験１を実施した（図４（ａ）参照）。実験１では、底面中央にノズル（内径０．２ｃｍ）を設けたアクリル製の円筒容器（内径２０ｃｍ、高さ４０ｃｍ）に深さ２５ｃｍまで水を満たし、円筒容器内の圧力を調整できるように構成した。そして、円筒容器の一方の側に二次元レーザードップラー振動計（ＬＤＶ）、他方の側に受光器を設置し、ノズルからの気泡噴流の噴射による液面の状態を計測した。
【００１７】
実験１の結果は、図４（ｂ）に示す通りである（ケース１：吹き込み空気流量Ｑg=41.4Ncm3/s、圧力Ｐs=14kPa、ケース２：Ｑg=296Ncm3/s、圧力Ｐs=101kPa、ケース３：Ｑg=41.4Ncm3/s、圧力Ｐs=101kPa）。図４（ｂ）において、縦軸ｂuは気泡噴流による液面の盛り上がり部の半径、横軸Ｚは円筒容器底面から上方への距離である。
【００１８】
図４（ｂ）から、
ｂu＝０．１３Ｚ
の近似式が得られる。
したがって、液面の盛り上がり部の直径ＤBは、
ＤB＝２ｂu＝２×０．１３ＨL
＝０．２６ＨL
で表される。
【００１９】
図５は、内径２００ｍｍの円筒容器に水を入れ、容器底面中央から気体を吹き込んだ場合における旋回の発生の有無を調べた実験（以下「実験２」という）の結果である。図５において縦軸は液深ＨL、横軸は吹き込まれる気体の流量Ｑg、○と●は旋回現象が発生している状態（○は深水波型旋回、●は浅水波型旋回）、×は旋回現象が発生していない状態を示している（以下、図６〜図９、図１１〜図１３において同様）。図５によると、液深ＨL＝５０ｍｍ〜２２５ｍｍの間で液体の旋回が起こるが、液深ＨLが深い方が気泡噴流の広がりが大きくなる。したがって、液深ＨL＝２２５ｍｍのときに気泡噴流の広がりが最も大きくなる。
【００２０】
図６〜図９は、実験２において直径ＤS＝８０ｍｍ、６４ｍｍ、４８ｍｍ、３２ｍｍの円板を液面にそれぞれ接触させ、液体の旋回が発生するか否かを調べた結果を示したものである。
【００２１】
図６〜図９から明らかなように、円板の直径ＤS＝８０ｍｍ、６４ｍｍ、４８ｍｍのときには全ての場合において旋回は発生しなかったが、円板の直径ＤS＝３２ｍｍのときには旋回が発生している。したがって、円板を液面に接触させても旋回が発生するのは、円板の直径ＤSが４８ｍｍと３２ｍｍとの間であることが分かった。
【００２２】
すなわち、下式を満たす場合に、液体の旋回が発生しない。
ＤB／ＤS≦０．２６ＨL／ＤS
＝０．２６×２２５／（（４８＋３２）／２）＝１．４６
上式を変形すると、
ＤS≧ＤB／１．４６≒０．７ＤB
となる。
【００２３】
以上より、直径ＤSが０．７ＤB以上の円板を予め液面に接触させておくと、液体の旋回が起こらないことが分かる。
【００２４】
したがって、直径ＤSが０．７×０．２６ＨL≒０．２ＨL以上の円板を予め液面に接触させておくと、液体の旋回が起こらない。
【００２５】
以上の実施形態は、気泡噴流の吹き込みにより発生する液体の旋回の抑止について説明されているが、上述のように、液体の旋回とスロッシングは、盛り上がり部を除けば似た現象であり、液体の旋回現象の周期などの基本的特性は、液体のスロッシングと同様であるため、液体噴流又は気液二相噴流の吹き込みにより発生する液体の旋回や、液体のスロッシングについても、同様な手法を採用することができる。たとえば、上述した液面の盛り上がり部の直径ＤB＝０．２６ＨLは通常、後述する液体の旋回直径ＤCよりも小さいので、原油輸送タンカーや石油貯蔵タンクのように当初からスロッシングを起こさせたくないような場合には、直径ＤSが０．７×０．２６ＨL≒０．２ＨL以上の円板を予め油面に接触させておけばよい。
【００２６】
（一旦発生した液体の旋回又はスロッシングを抑止する方法）
容器底面から気体を吹き込んだ際に液面に生ずる旋回の直径を求めるため、実験３を実施した。実験３では、底面中央にノズル（内径ｄn）を設けたアクリル製の円筒容器（内径２０ｃｍ）内に液体を満たし、ノズルから流量１２０cm3/sで空気を吹き込んだ際の液面の状態を観測した。
【００２７】
実験３の結果は、図１０に示す通りである（○：ｄn＝１mm、液体＝水、●：ｄn＝２mm、液体＝水、▲：ｄn＝２mm、液体＝シリコンオイル）。図１０において、縦軸ｒCは気泡噴流により生ずる液体の旋回半径、横軸は円筒容器の半径Ｒ（ｍｍ）である。
【００２８】
図１０から、
ｒC＝０．３７Ｒ
の近似式が得られる。
したがって、気泡噴流により生ずる液体の旋回直径ＤCは、
ＤC＝２×０．３７Ｒ＝０．３７Ｄ
で表される。
【００２９】
図１１〜図１３は、実験２において液体を旋回させ、直径ＤS＝８０ｍｍ、６４ｍｍ、４８ｍｍの円板を液面にそれぞれ接触させ、液体の旋回が停止するか否かを調べた結果を示したものである。
【００３０】
図１１〜図１３から明らかなように、液体が旋回している液面に直径ＤS＝８０ｍｍの円板を接触させると、全ての場合において旋回は停止したが、直径ＤS＝６４ｍｍの円板を接触させたときに、一部で旋回が発生している。
【００３１】
すなわち、下式を満たす場合に、液体の旋回が発生しないことが分かる。
ＤC／ＤS≦０．３７Ｄ／ＤS
＝０．３７×２００／６４≒１．１６
上式を変形すると、
ＤS≧ＤC／１．１６≒０．８６ＤC
となる。
【００３２】
以上より、液体が旋回している場合に、直径ＤSが０．８６ＤC以上の円板を液面の盛り上がり部に接触させると、液体の旋回が停止することが分かる。
【００３３】
したがって、液体が旋回していても、直径ＤSが０．８６×０．３７Ｄ≒０．３２Ｄ以上の円板を液面に接触させると、液体の旋回が停止する。
【００３４】
以上の実施形態は、気泡噴流の吹き込みにより発生する液体の旋回の抑止について説明されているが、上述のように、液体の旋回とスロッシングは似た現象であり、液体の旋回現象の周期などの基本的特性は、液体のスロッシングと同様であるため、液体噴流又は気液二相噴流の吹き込みにより発生する液体の旋回や、液体のスロッシングについても、同様な手法を採用することができる。たとえば、図２に示される液体噴流の吹き込み箇所の領域は、上述の液体の旋回直径ＤC＝０．３７Ｄよりも小さいので、原油輸送タンカーや石油貯蔵タンク等においてスロッシングが発生した場合等には、直径ＤSが０．３２Ｄ以上の円板を液面（油面）に接触させれば、スロッシングを効果的に抑止することができる。なお、気泡噴流の場合は盛り上がり部が顕著に見られ、分かりやすいが、スロッシングの場合も容器を揺することによって最初に盛り上がるのは中心部である。
【００３５】
本発明は、以上の発明の実施の形態に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【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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