1

流体計測特論
流速測定（ピトー管、熱線流速計）
Prong φ 0.2

2.00.5

Ceramic Tube φ 0.90.76φ42.01.420

流体工学特論2

ベルヌーイの定理
流線上では動圧と静圧の和は一定（エネルギー保存則の変形）

ρv 22
Dynamic
Pressure++p= const

StaticTotal=

Pressure Pressure
流体工学特論1

3

ピトー管による流速測定
静圧：面に直角に作用

流れ

全圧孔

v =速度0静圧孔

 ptotal − p 0 2ρ
流体工学特論

全圧管の先端形状

4

圧力孔の形状（外筒付きがよい）
Re<30の場合：補正が必要

流体工学特論2

5

乱れとせん断の影響
乱れの影響

Pom − Po  u  2= ρv 2 / 2
U 

せん断の影響D dqδdρV 2= 0.131 + 0.083 ,> 0.1 , q =q dy2DD

流体工学特論6

静圧孔の影響静圧孔：流れが平行に流れている必要がある。
先端から圧力孔までの距離：直径Dの10倍（６D＋８Dのケースもある）

流体工学特論37

静圧管の角度と測定誤差
球型静圧管：±104°（通常型では±5°程度

流体工学特論ピトー管を使う場合の注意点 28

温度の影響：
温度差が大きい場合は密度の補正が必要。
圧力計の応答特性：
圧力測定の場合と同様、導管の応答特性の影響をうける。一般的な計測ではΦ0.5mm以下のチューブは使用しない。また、チューブの長さは極力短くする。
1mmのチューブを１ｍ程度延長した場合、３分程度の時間が必要。

流体工学特論49実用例
z風洞実験等の検定、基準流速の測定
z流量の測定z航空機やレーシングカーの速度測定

ピトー管

振動に強いこと、原理が簡単なことから利用されている
流体工学特論10

多孔ピトー管z一般的なピトー静圧孔：主流方向速度のみ
z流れの方向を調べるには3～7孔が必要

2113

ファン内部の流れ３つの孔を有するピトー管を流れに挿入
P2=P3ならば、ピトー管は主流方向を向いている
流体工学特論51155孔ピトー管
孔ピトー管
2と3の等しい角度Φを測定
速度ベクトル 4−1−5平面
pn = po + kn
(kn − ki )

ρV 22

δ

ρV 2= pn − pi2

ρV 2
V = (kn − ki )=2

φ2 ( pn − pi )1ρ kn − ki ( pn − pi )pn − pa = pn − ki

532k − ki  n4

流体工学特論1255孔ピトー管孔ピトー管
kb =(k 4 − k 5 ) = ( p 4 − p5 )(k 2 − k 3) ( p 2 − p3)
kbは角度δの関数

あらかじめ実験を行う

n=2i=1
流体工学特論6

1355孔ピトー管の校正
孔ピトー管の校正
実験ではまずφを設定し、圧力差からδを算出する。
次に係数と圧力差あからVを求め、最後にVから各速度成分を求める

Vx = Vo cos δ cos φ
Vy = Vo sin δVz = Vo cos δ sin φ

k2
k 2 − k1
1− k2
Ptotal = p 2 + ( p 2 − p1)
k 2 − k1
Pstatic = p 2 − ( p 2 − p 21)

Report:ホームページから校正表と測定データを求め、速度及び圧力を算出せよ

流体工学特論14

発電機内部の流れ

クーラへコイルエンドステータ

クーラから

ファン
リティニングリング
ロータ冷却風
サブスロットロータGap

高温空気

Fコイルエンド

ロータ

流体工学特論7

15

計測装置の配置
Pt

Ps11

Ps11

Ps13

Stator Duct
VG5

Rotor Duct

VG4

VG3

VG2

VG1

Ps3

Ps2

Ps1

StatorPs9

Pf1 Ps8
Hw1
P52

P53

Coil End
Hw2
P51

P54
Hw3

Retaining Ring

Ps10

Ps7

Ps6 Ps5

Ps4

Rotor

エアギャップ

Cooling Fan

Cooling Air

Pressure fluctuation

5-holes probe

Static Pressure

2-holes probe

Ge Anemometer

Total Pressure

Hot-wire Anemometer

流体工学特論

55孔ピトー管の設置状況
孔ピトー管の設置状況

16

流体工学特論8

17

発電機内部の圧力測定

流体工学特論18

ファン入り口周りの流れ
1Cm0.8

CuCz

r/ro

0.6
0.4
0.2
0-0.1

00.1

0.2

0.3

0.4

0.5

Cm , Cu , Cz
流体工学特論9ピトー管のまとめ

19

利点：
測定精度 0.1～1％程度
測定結果は安定しており、現場での使用可
安価、測定方法は数時間で覚えられる
問題点
検査体積が大きいため、流れを乱す場合がある。
速度変動の測定ができない。
流体工学特論乱流計測：速度変動

20

速度変動を計測するためには、より応答性に優れた計測器が必要
熱線流速計、LDVなど
金属細線は温度によって電気抵抗が変化する
金属細線を電流で加熱し、流体中に設置すると流速に応じて、細線の温度が変化する
加熱電流と流速の関係

流体工学特論10

21

熱線の熱平衡Wire element
TwdTpxdxl

Prong

Heat accumulated

Heat generated

Heat
conduction in

Heatconduction out
Heat to cross-flow

πd 2cwgρw ∂TwI Rw =+ πd h(Tw − Ta )4∂t
流体工学特論2ブリッジ回路

22Rw = Ro{1 + β(Tw − To)}
流体工学特論1123

線形化πd hn Tf
0.45 (Tw + Ta )= (0.24 + 0.56 Re )= ( A + BU )
2 Ta
Taλ

U = {Bo(E 2 − Co )}1098765432
10-1-2

109Velocity

Output [m/s]8Error7654321Hotwire No.200246Velocity [m/s]8Error [%]1/n10

流体工学特論24

線形化の問題・熱線流速計：相対計測（冷却と電流の関係：Re数、線径、風速）
・必ず校正と線形化が必要
・メーカーの校正表での使用は誤差大
必ず自分で校正する→実験前と実験後に校正を行う

流体工学特論12熱線流速計システムとプローブ

25

流体工学特論26

センサの角度特性
Ueff 2 = (cos 2α1 + κ 2 sin 2 α1)

α1.2
1

Ueff

0.80.6
0.40.20-90-4504590α [deg]流体工学特論1327

角度特性確認方法
多線式の場合、相対角度の確認が必要

流体工学特論

28

時系列計測

050

100150200
250Time (ms)300350応答周波数：5kHz～10kHz
カタログ：100kHz
SN比 80dB400

流体工学特論1429

多線プローブ
渦度や速度分布の計測

Prong φ 0.22.00.5

Ceramic Tube φ 0.90.76φ42.01.420

流体工学特論30

二次元噴流の計測
Windbreaking wall
Traverse Unit

Loud speakers (A)150

BlowerParallel run-up
section

1000

1160

10

渦度分布の計測

Reference probe
Diffuser

Settling chamberContraction

840

X-wire30
Test section
Wall
Loud speaker (B)500
Turbulence
grid

1260

260

1860

Insulator
400

220

流体工学特論

1531

測定結果
32
10-1-2-30

2

4

6

8

10

12

14

16

X/2h

ωz2h/U-2000-1800-1600-1400-1200-1000 -800 -600 -400 -2000200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

流体工学特論32

X
プローブ
Xプローブv
2U1uU1 =12(u − v ), U 2 =E1 = U 12 + eU 22 =121(u + v )U21(u − v ) 2 + e (u + v ) 22v 11 v 2
 1 + e − (1 − e ) + (1 + e )  +u 22uu =22v
2 1v eee2(1)(1)......
+−+++  8uu  u=E1 + E 22,v=

E1 − E 22

流体工学特論1633

境界層測定プローブ

Makita, H., and Nishizawa, K., J. Turbulence 2 (2001) 012
流体工学特論

バースト測定結果

34流体工学特論17

35

計測例（発電機）ウェッジ

ラジアルダクト

ゾーン通風冷却路

Fコイルエンド

ゾーン通風路サブスロットロータ

流体工学特論36

発電機模擬装置
ケーシング

ブースターファン

半導体圧力センサ
軸方向 5点
スリップリング
Fコイルエンドロータモデル
φ360

モーター

φ520

φ297

ロータ
ベアリング
ゾーン通風路316

熱線プローブ熱線プローブ

冷却風

回転パルス信号モータ制御装置

熱線流速計

位相平均回路

圧力変換機

流体工学特論

18

37

試験装置

流体工学特論38

Axial Velocity Cm[m/s]

測定結果と数値解析結果の比較
70
60
50

Subslot Position

40
30
20
10Trigger

0040

80

120 160 200 240 280 320 360
Subslot Position θ [deg]流体工学特論19

測定結果と数値解析結果の比較（2)測定結果と数値解析結果の比較（2)39120LES
Exp.

80

Subslot Position

Axial velocity Cm[m/s]100604020
0030 60 90 120 150 180
Subslot Position
θ [deg]

流体工学特論

熱線流速計のまとめ

40

利点：
測定精度 1％程度（校正が重要）
空間分解能・時間分解能に優れている
小型で装置内部の計測も可能
問題点
ピトー管に比べて高価
温度・湿度等に対する変化が大きく、校正結果に精度が依存
ノウハウが多く、習熟に時間がかかる
流体工学特論20