(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転翼の翼面上の流れを計測する方法であって、油膜を塗布した平板状の回転円板を流体中で回転させて該回転円板の任意の複数箇所における油膜移動速度Ｖの測定により得られた周方向速度成分Ｖｃと、該回転円板の前記任意の複数箇所において算出される壁面剪断応力の周方向成分τｃとを対応させて関係式τｃ＝ｆ（Ｖｃ）を得、該関係式τｃ＝ｆ（Ｖｃ）に、実測される回転翼の油膜移動速度を当てはめることに基づいて翼面上の壁面剪断応力の大きさと向きを求めるように構成した翼面上の流れ計測方法。
【請求項２】
請求項１において、回転翼に塗布される油膜の密度が流体の密度と異なる場合に、前記関係式で計測される任意箇所の壁面剪断応力の径方向成分に含まれる油膜の遠心力による付加分を、予め回転円板を用いて算出された補正値Ｍτｒとして差し引くことで、遠心力による影響が排除された回転翼の壁面剪断応力の径方向成分を求め、該補正された径方向成分から回転翼の翼面上の遠心力による影響が排除された壁面剪断応力の向きと大きさを計測できるようにした翼面上の流れ計測方法。
【請求項３】
請求項２において、補正値Ｍτｒは、回転円板の任意の複数箇所において流体と密度差のある油膜の実測油膜移動速度Ｖｏを計測し、該各実測油膜移動速度Ｖｏから実測周方向速度成分Ｖｏｃをそれぞれ求めて前記関係式τｃ＝ｆ（Ｖｃ）にそれぞれ当てはめて、回転円板上の遠心力の影響を受けた実測壁面剪断応力径方向成分τｏｒを算出する一方、回転円板の前記任意の箇所において算出される壁面剪断応力の周方向成分τｃから径方向成分τｒを算出して、前記各実測壁面剪断応力径方向成分τｏｒから対応する壁面剪断応力径方向成分τｒを差し引くことで求められる構成とした翼面上の流れ計測方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ラジエータファン、扇風機用ファン、換気扇、船舶用プロペラ、航空機用プロペラ等の各種回転翼の翼面上の流れ計測方法の技術分野に属するものである。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、この種回転翼においては、回転翼表面の流れを可視化し、該可視化されたものを解析することによって、回転翼の回転効率の向上や騒音の低減を計るようにしている。そして、従来の回転翼表面の流れの可視化では、表面に油膜を塗布した回転翼を回流水槽中に没入させて回転させ、油膜法と画像解析法（時間差のある二画像に相互相関の計算アルゴリズムにより計算する方法であって、所謂ＰＩＶ法等）とを組み合せた計測方法を実施することによって、回転翼表面を移動する油膜移動速度を計測するようにしていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、前記従来の計測方法では、回転翼表面の油膜移動速度を計測するものであり、該油膜移動速度からは、回転翼表面の剥離位置、再付着位置、そして流れ方向と大きさ等に基づく流れの様子の知見（速度ベクトル）を得ることはできるが、流体力学で用いる物理量として扱うことができず、このため油膜の条件が変化したような場合では、これらの値を互いに比較することはできないという問題があり、ここに本発明が解決しようとする課題があった。
さらには、回転翼表面に塗布される油膜の密度と回転翼を没入させる流体の密度とに差がある場合、油膜自体に発生する遠心力の影響を受けるため、回転翼表面における流れの可視化により得られる油膜移動速度には遠心力の影響が付加されてしまい、流体に基づく回転翼表面の正確な油膜移動速度を求めることができないという問題があり、ここにも本発明が解決すべき課題がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の如き実情に鑑み、これらの課題を解決することを目的として創作されたものであって、回転翼の翼面上の流れを計測する方法であって、油膜を塗布した平板状の回転円板を流体中で回転させて該回転円板の任意の複数箇所における油膜移動速度Ｖの測定により得られた周方向速度成分Ｖｃと、該回転円板の前記任意の複数箇所において算出される壁面剪断応力の周方向成分τｃとを対応させて関係式τｃ＝ｆ（Ｖｃ）を得、該関係式τｃ＝ｆ（Ｖｃ）に、実測される回転翼の油膜移動速度を当てはめることに基づいて翼面上の壁面剪断応力の大きさと向きを求めるように構成したものである。
そして、このようにすることにより、回転翼表面の油膜移動速度に基づいて壁面剪断応力を計測することができる。
このものにおいて、本発明の回転翼に塗布される油膜の密度が流体の密度と異なる場合に、前記関係式で計測される任意箇所の壁面剪断応力の径方向成分に含まれる油膜の遠心力による付加分を、予め回転円板を用いて算出された補正値Ｍτｒとして差し引くことで、遠心力による影響が排除された回転翼の壁面剪断応力の径方向成分を求め、該補正された径方向成分から回転翼の翼面上の遠心力による影響が排除された壁面剪断応力の向きと大きさを計測できるようにしたものとすることができる。
さらにこのものにおいて、本発明の補正値Ｍτｒは、回転円板の任意の複数箇所において流体と密度差のある油膜の実測油膜移動速度Ｖｏを計測し、該各実測油膜移動速度Ｖｏから実測周方向速度成分Ｖｏｃをそれぞれ求めて前記関係式τｃ＝ｆ（Ｖｃ）にそれぞれ当てはめて、回転円板上の遠心力の影響を受けた実測壁面剪断応力径方向成分τｏｒを算出する一方、回転円板の前記任意の箇所において算出される壁面剪断応力の周方向成分τｃから径方向成分τｒを算出して、前記各実測壁面剪断応力径方向成分τｏｒから対応する壁面剪断応力径方向成分τｒを差し引くことで求められる構成としたものとすることができる。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について図１〜図７に示す図面に基づいて説明する。
１は可視化装置を構成する回流水槽であって、該回流水槽１の前面部、後面部には流体（水）の入口部１ａ、出口部１ｂがそれぞれ形成され、さらにこれら入口部１ａと出口部１ｂとは、回流水槽１の外部に形成された外部流路２により接続されている。そして、外部流路２に配されたポンプ３の駆動に基づいて入口部１ａから回流水槽１に流入した流体は、回流水槽１内に設けられた整流装置４により流れを整えられてから後方に流れて出口部１ｂから流出し、外部流路２を経由して再び入口部１ａから流入するようになっており、回流水槽１内の流体が回流する構成となっている。
【０００６】
５は回流水槽１を前後に仕切る仕切板であって、該仕切板５に開設された開口部５ａに、表面に油膜が塗布された回転円板６または回転翼７が回転自在に配されるように設定されている。尚、８は回転円板６または回転翼７に連動連結されてこれらを回転させるためのモータである。
また、仕切板５の前方にはＣＣＤカメラ９が配設され、該ＣＣＤカメラ９と仕切板開口部５ａとのあいだにはミラー１０が配されている。そして、タイミング制御部１１により制御される状態でストロボ発光部１２からの発光がミラー１０を介して回転円板６または回転翼７の表面の所定部位を時間差を存して照射し、該照射部位がＣＣＤカメラ９により少なくとも二回撮像されるように設定されている。さらに、このようにして得られる少なくとも二つの画像データを、画像取込み装置１３を介してパーソナルコンピュータ１４に取り込み、画像解析法に基づいて解析することによって、回転円板６または回転翼７の表面に塗布された油膜の移動状態を示す速度ベクトルが得られるように設定されている。
【０００７】
そして、回転翼７の翼面上に生じる壁面剪断応力を、回転円板６を乱流場において回転させることで回転円板上６に生じる壁面剪断応力として計測する方法を以下に説明する。
つまり、回転円板６にトリッピングワイヤ１５を取付け、回流水槽１に充填される流体の密度と略同様の密度を有した油膜を塗布して回流水槽１に没入させ、モータ８を駆動して回転円板６を回転させる。そして、回転円板６が予め設定される回転状態となったところで、タイミング制御部１１を介してストロボ発光部１２を発光させ、回転円板６の表面の所定部位Ｓ、即ち本実施の形態では、図２における仮想線で囲まれた部位をＣＣＤカメラ９により時間差を存して少なくとも二回撮像する。そして、これら少なくとも二つの撮像画像を解析することで、回転円板６の所定部位Ｓにおける複数の測定位置（複数箇所）での油膜の移動状態が、図３に示すように速度ベクトルとして実測され（可視化され）、該速度ベクトルに基づいてこれら各箇所における油膜移動速度Ｖ、そして該実測される速度ベクトルの向き（偏角θ）を用いて油膜移動速度Ｖの周方向速度成分Ｖｃが算出される。
【０００８】
一方、前記回転円板６の油膜移動速度Ｖを計測した各箇所における壁面剪断応力を計算して求める。この場合に、回転円板６にはトリッピングワイヤ１５が設けられている結果乱流場となっていることから１／７乗則を採用すると、回転円板６における壁面剪断応力τの周方向成分τｃは、式、
τｃ（Ｎ／ｍ２）＝１／（１＋α２）×０．０２７×ρ×ｒ１．６×ω１．８×ν０．２          （１）
で与えられる。ここで、αは限界流線の傾き角（本実施の形態では９．２°）から設定される一定値であってα＝ｔａｎ９．２＝０．１６２であり、ρは回流水槽１内の流体密度（ｋｇ／ｍ３）、ｒは回転円板６の中心から測定位置までの距離（ｍ）、ωは回転円板６の測定位置における回転角速度（ｒａｄ／ｓ）、νは流体の動粘度（ｍ２／ｓ）であり、これらの数値（実測値）をそれぞれ代入することで各箇所における壁面剪断応力周方向成分τｃが求められる。
【０００９】
そして、回転円板６の前記複数位置における油膜移動速度Ｖの周方向速度成分と、これに対応して式（１）で得られる壁面剪断応力周方向成分τｃとをＸ−Ｙ座標上にプロットし、これらのあいだの関係式を求めるが、本実施の形態では周方向速度成分として、該周方向速度成分Ｖｃを各測定位置での油膜の厚さｔで除した数値Ｖｃ／ｔを用いており、これによって回転円板６の表面に塗布される油膜厚さのばらつきを相殺するようにしている。そして、座標の横軸方向（Ｘ方向）を油膜の周方向速度成分Ｖｃに基づく数値（Ｖｃ／ｔ）とし、縦軸方向（Ｙ軸方向）を壁面剪断応力周方向成分τｃとしてプロットすることにより図４に示すような曲線が得られ、該曲線から関係式、
τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）          （２）
を求めることができ、これによって、油膜移動速度Ｖと壁面剪断応力τとの各周方向成分Ｖｃ、τｃを対応させることができるようになっている。この関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）は図４に示されるような曲線を示しており、油膜移動の小さい範囲ではかなり大きな傾きを示すが、油膜移動速度の増加と共に勾配が小さくなり、やがて略一定の勾配を示すようになっている。
【００１０】
ところで、前記関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）は、前述したように回転円板６の流体から受ける壁面剪断応力τと、油膜移動速度Ｖとのそれぞれ周方向成分τｃとＶｃとの関係を示している。これは、壁面剪断応力を計測するにあたり、油膜の密度が流体の密度よりも大きい場合、油膜自体に遠心力が作用して油膜移動速度Ｖの径方向成分が大きくなるような影響を与えることがあり、このため、実測される偏角θと周方向の成分とを用いて壁面剪断応力τを決定することで、より正確な壁面剪断応力τを計測できるようにしている。
【００１１】
次に、前記関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）を用いて回転翼７の壁面剪断応力を計測する方法について説明する。
まず、回転翼７に塗布する油膜を、流体の密度と略同じものを用いた場合について説明する。この場合、回転翼７の表面に、回流水槽１内の流体と略同密度の油膜を塗布し、該回転翼７を、回転円板６と同様の条件下の可視化装置の回流水槽１に没入させて回転せしめ、回転円板６のときと同様にしてＣＣＤカメラ９により回転翼７表面の所定部位の撮像を行い、複数の測定位置（測定箇所）における油膜の速度ベクトルを実測する。さらに、これら各速度ベクトルから油膜移動速度Ｖｂを求め、該油膜移動速度Ｖｂと、実測された速度ベクトルの向きから周方向速度成分Ｖｂｃを算出し、該周方向速度成分Ｖｂｃを油膜の厚さｔｂで除して数値（Ｖｂｃ／ｔｂ）を算出する。
そして、前記数値（Ｖｂｃ／ｔｂ）を、前記回転円板６を用いて得られた油膜の移動速度周方向速度成分Ｖｃと壁面剪断応力周方向成分τｃとの関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）のＶｃ／ｔに代る数値として当てはめることで、回転翼７の翼面上の複数箇所においての物理量である壁面剪断応力周方向成分τｂｃが算出できる。そして、該壁面剪断応力周方向成分τｂｃと、前記実測される速度ベクトルの向きとを用いて翼面上の壁面剪断応力τｂの大きさと向きが算出され、而して翼面上の流れを示す物理量を計測できるように設定されている。因みに、図７（Ａ）に回転翼７の表面における油膜の移動状態を示す油膜移動分布図を示すが、該油膜の移動分布図に基づいて前記関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）を用いて壁面剪断応力周方向成分τｂｃを計測することにより、図７（Ｂ）に示す壁面剪断応力分布、ならびに限界流線図を得ることができ、これらに基づいて翼面上の流れを考察することができる。
【００１２】
これに対し、流体と油膜とに密度差があるような条件下で回転翼７を回転させた場合では、塗布された油膜自体に遠心力が作用している。このため、実測される速度ベクトルは、油膜移動速度の径方向速度成分に遠心力の影響が付加されたものになっており、このように遠心力が作用した速度ベクトルからは作用する壁面剪断応力の正確な大きさや向きを得ることはできず、このような場合には壁面剪断応力の補正をして、遠心力による影響を排除することが必要となる。
そして、遠心力により壁面剪断応力に作用する分、つまり壁面剪断応力の径方向成分に付加される成分（付加分）を、前述したトリッピングワイヤ１５が取付けられた回転円板６を用いて予め補正値として算出しておき、この補正値を、回転翼７において計測される壁面剪断応力の径方向成分から差し引くようにすることで補正することができる。このとき補正値を求めるには、回転円板６に対する流体の流れの向き（限界流線の傾き角）を一定とし、該一定値を用いて補正値を求める場合と、レイノルズ数（Ｒｅ＝ｒ２×ω／ν：ｒは回転円板６の中心から測定位置とのあいだの距離、ωは回転円板６の回転角速度、νは流体の動粘度）等の関係式から得られる値を用いて補正値を求める場合とがあるが、本実施の形態では流体の流れの向き（限界流線の傾き角）を、径方向外側に約９．２度の一定なものとして補正値を求める。
因みに、補正は、壁面剪断応力として算出したものを補正値とするばかりでなく、油膜移動速度の径方向速度成分を用いて補正することもできる。
【００１３】
そして、本実施の形態の補正値は次のようにして算出される。つまり、回流水槽１に充填される流体の密度とは密度差のある油膜を回転円板６に塗布し、該回転円板６を可視化装置の回流水槽１に没入させ、前述したような手順で回転円板６上における油膜の可視化を行い、回転円板６の複数箇所における油膜の移動状態を示す速度ベクトルを求める。そして、これら遠心力の影響を受けた速度ベクトルから、各箇所における実測油膜移動速度Ｖｏ、そして該実測される速度ベクトルの向き（角γ）を用いて実測油膜移動速度Ｖｏの実測周方向速度成分Ｖｏｃを算出する。そして、各実測周方向速度成分Ｖｏｃを油膜の厚さｔで除した数値（Ｖｏｃ／ｔ）を求め、これら数値（Ｖｏｃ／ｔ）を、前記関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）の（Ｖｃ／ｔ）に代る数値として当てはめて、各箇所における実測壁面剪断応力周方向成分τｏｃを算出する。さらに、該実測壁面剪断応力周方向成分τｏｃと、前記油膜の速度ベクトルの向き（角γ）とから実測壁面剪断応力径方向成分τｏｒを算出する。
【００１４】
一方、回転円板６の前記任意の複数箇所に対応する壁面剪断応力τの周方向成分ｃは、前述したように式（１）τｃ＝１／（１＋α２）×０．０２７×ρ×ｒ１．６×ω１．８×ν０．２（Ｎ／ｍ２）に基づいて算出される。そして、ここで求められる壁面剪断応力τは限界流線の傾き角に基づく向きであることから、前記算出された壁面剪断応力τにｔａｎ９．２、つまり０．１６２を乗ずることによって、壁面剪断応力τの径方向成分τｒをそれぞれ算出（τｒ＝０．１６２×τｃ）する。
そして、前記算出される各壁面剪断応力径方向成分τｒとこれと対応する各実測壁面剪断応力τｏｒとは、図５に示すような関係となっており、各実測壁面剪断応力径方向成分τｏｒから各対応する箇所の算出された壁面剪断応力径方向成分τｒを減じた数値が、これら各任意の箇所において遠心力により増加した壁面剪断応力の径方向成分（補正値）Ｍτｒとなり、式、
Ｍτｒ＝τｏｒ−τｒ          （３）
として表すことができる。
そして、前記求められる各補正値Ｍτｒと、該箇所における遠心力Ｆを式、
Ｆ＝ｒω２（ｒは回転円板６の中心から測定位置までの距離（ｍ）、ωは回転円板６の測定位置における回転角速度（ｒａｄ）、この場合、遠心力の関数である質量ｍは塗布される油膜厚さが略一定と見なし、ｍ＝１として遠心力Ｆを求めている。）
に基づいてそれぞれ算出し、該算出した各任意の箇所における遠心力Ｆと、これらに対応する補正値ＭτｒとをＸ−Ｙ座標上にそれぞれプロットする。この場合に、座標の横軸方向（Ｘ方向）を遠心力Ｆとし、縦軸方向（Ｙ軸方向）を補正値Ｍτｒとしてプロットすることで、図６に示すような曲線が得られ、該曲線から補正値Ｍτｒと遠心力Ｆとの関係式、
Ｍτｒ＝ｆ（Ｆ）          （４）
を求めることができる。
これによって、遠心力Ｆの大きさから、該遠心力Ｆの算出箇所における壁面剪断応力の径方向成分における補正値Ｍτｒを求めることができる。
【００１５】
そして、回流水槽１の流体とは異なる密度であって、前記回転円板６に塗布したものと同密度の油膜が塗布された回転翼７の壁面剪断応力は次のようにして計測される。
回転翼７表面の任意の箇所において得られた速度ベクトルを解析して実測油膜移動速度Ｖｏｂを求め、この油膜移動速度Ｖｂの周方向速度成分Ｖｏｂｃを算出する。該周方向速度成分Ｖｏｂｃを、前記関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）の（Ｖｃ／ｔ）に代わる数値として当てはめることで、回転翼７の各任意箇所における実測壁面剪断応力τｏの周方向成分τｏｂｃが算出される。さらにこの実測壁面剪断応力周方向成分τｏｂｃと、速度ベクトルの向きとから、実測壁面剪断応力径方向成分τｏｂｒを求める。
さらに、回転翼７の実測箇所である前記任意箇所における遠心力Ｆを算出し、該遠心力Ｆを、前記関係式（４）Ｍτｒ＝ｆ（Ｆ）に代入して補正値Ｍτｒを求め、該補正値Ｍτｒを、前記実測壁面剪断応力径方向成分τｏｂｒから差し引くことで遠心力の影響が排除された回転翼７における真の壁面剪断応力径方向成分（τｏｂｒ−Ｍτｒ）が計測され、該数値と、前記算出された実測壁面剪断応力周方向成分τｏｂｃとから、遠心力の影響が排除された真の壁面剪断応力の向きと大きさが求められ、このようにして、回転翼７の翼面上の真の壁面剪断応力の向きと大きさが計測されるようになっている。
因みに、補正値Ｍτｒは、前記実施の形態のように回転円板６の任意箇所における遠心力に対応させた関係式に限定されず、遠心力に基づく数値と対応させた関係式とすることもでき、このようにしても所望の箇所における補正値を容易に算出できる。そして、遠心力に基づく数値としては例えば周速度Ｘ（Ｘ＝ｒω：ｒは回転円板６の中心から測定位置までの距離、ωは回転円板６の測定位置における回転角速度）を用いることができ、該周速度Ｘと補正値Ｍτｒとの関係式としても、任意箇所における補正値Ｍτｒを算出することができる。
【００１６】
叙述の如く構成された本発明の実施の形態において、回転翼７を可視化装置により可視化することで、回転翼７の表面に塗布された油膜の速度ベクトルを求めることができる。そしてこの場合に、前記速度ベクトルから油膜の移動速度の周方向速度成分Ｖｂｃを求め、該周方向速度成分Ｖｂｃを、前述したように、回転円板６を用いて求めた壁面剪断応力τｃと、油膜の周方向速度成分Ｖｃを油膜厚さｔで除した数値との関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）に当てはめることで、回転翼７の壁面剪断応力の周方向成分τｃを求めることができ、該数値から回転翼７における壁面剪断応力の向きと大きさが計測できる。この結果、油膜移動速度からの知見では、油膜の種類、混合比、温度等の条件が異なる油膜を用いたもの同志を比較することはできないが、該油膜移動速度を用いて壁面剪断応力に変換することによって、条件の異なる油膜を用いたもの同志からの数値を比較検討することができる。しかも、壁面剪断応力の数値は、流体力学上で物理量として扱うことができ、このため、例えば図７に示すような壁面剪断応力分布、ならびに限界流線図を求めることにより、騒音、効率等の性能特性を改善する上での指標として検討することができる。
【００１７】
さらにこの場合に、油膜の密度が回流水槽１に充填させる流体の密度と異なって、油膜の移動速度に遠心力が作用しているような場合であっても、回転円板６を用いて算出した補正値Ｍτｒを、回転翼７において実測値から関係式（２）τｃ＝ｆ（Ｖｃ／ｔ）を用いて算出される実測剪断応力径方向成分τｏｂｒから差し引くことで、遠心力を排除した壁面剪断力の径方向成分を求めることができ、これによって、翼面上の遠心力の影響が排除された真の壁面剪断応力の向きと大きさを計測できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】可視化装置の概略説明図である。
【図２】回転円板の斜視図である。
【図３】回転円板における油膜移動速度の説明図である。
【図４】壁面剪断応力と油膜移動速度の関係を示す表図である。
【図５】壁面剪断応力における補正値算出の説明図である。
【図６】補正値と遠心力の関係を示す表図である。
【図７】図７（Ａ）、（Ｂ）はそれぞれ回転翼表面の油膜の移動状態を一部引き出して拡大表示した油膜移動分布図、該移動分布図に基づいて計測された壁面剪断応力分布、ならびに限界流線図である。
【符号の説明】
１    回流水槽
６    回転円板
７    回転翼
９    ＣＣＤカメラ
１５    トリッピングワイヤ
Ｖ    回転円板における油膜移動速度
Ｖｃ    回転円板における油膜移動速度周方向速度成分
τ    回転円板における壁面剪断応力
τｃ    回転円板における壁面剪断応力周方向成分
Ｍτｒ    補正値
【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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