平成2年度 研究報告 大分県二葉試験場

複数ノズルウオふ夕ふジェット分岐管部の噴流特性に与える影響についての一考察
俊臣宏

裕幸

塚藤江

大後水機械部し今後の複数ノズルをはじめとする応用技術の進展

1 まえがき近年ウォータージェット加工技術の応用分野が広によっては、検討に値する問題となる可能性もある。

がり、半導体分野での工Cのバリ取り（剥離）等に利

本研究ではノズルとして市販のオリフィス型ノズ用されるようになり、合理的なライン上の多数同時ルチップを用い、主管u支管よりなる単純な複数ノ加工に際して複数ノズルヘッド（複数ノズル分岐ラズルヘッドを、支管を変化させず主管径Dlを段階的ンナー）等が使用されるようになった。に変えて数個作成し、管路部形状等の物理的パラメ

複数ノズルヘッドとは図1に示すように、各ノズータによって各々のノズルによるウォータージェッルチップを先端に有する支管（枝管）と直接的な主トの噴流特性（壊食特性）がどの様に変化するかを管からなる単純な構造であることが多い。

実験的に示した。

しかしこのような分岐管路の設計・製作の如何にこの際、管路内部に発生する流れの挙動或は乱流ょっては分岐管内に不均一な局部的損失￠乱れ等を等の局部的不均一性を定性的に把握するため、コン生じることがあり、それが下流例のウオータ山ジェピュータシミュレーションを援用した。

ットにも増幅等の作用により不適切な影響を与えてしまい、均一な壊食特性を得られない等の例が多い。

2 実験装置及び方法

また、ノズル上流側管絡部の形状等の物理的諸条

プランジャポンプにより水道水を加圧し、ノズル件と、下流例のウォータージェットの噴流特性とのヘッドに送り込み、取付けられたノズルチップによ関係についてはおおよそ経験的には知られていてり噴射させる。主管内圧力は主管終端部に取付けらも、これまであまり問題とされてきていない。しかれた圧力センサーにて測定される。

ノズルチップ
図1複数ノズルヘッドの例
21¶平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
試験片はアルミニウム25mm角厚さ10mnlを用

なお、この分岐管部を図2に示すようにモデル化い、スタンドオフ岸巨離（ノズルから試片までの距離）することにより、以下のような3つのパラメーターを変えてその壊食量を測定した。

を抽出することができる。
レイノルズ敷浪e）ニ主管径玖」代表的長さ）x主（1）複数ノズルヘッドによる壊食試験

上記の実験装置のノズルヘッドとして主管径

管流速Ⅴ／粘性係数〃

Dl＝￠3mm、6mm、10mmの3本の複数ノズル

分 岐 比＝支管径D2／主管径Dl

ヘッド（支管は→律一定D2＝￠2mmX8mm長）

分 流 比＝支管流量Q2／／／主管流量Qlを用い、壊食試験を実施した。圧力はP＝二1㈹kgf′′′′′cm2とした。支管数は4本である。

∫ ヱow

この実験条件下ではすべて支管（枝管）の形状が等しいだけでなく、等圧下では支管による流れへのゆ影響も均】一であると考えられる。このためこの実験により、（支管を除いた）分岐部の流れへの影響を比較することが出来る。
なお、実験に先立ち4偶のノズルチップの形状誤差による影響を出来るだけ除くため、一定圧力下での噴出流量の測定を実施し、噴出流量の誤差が±L5％以内の4個のノズルチップを選定した。これらのノズルチップによるシングルノズルとしての壊食特

β＝1000kgf／が性もほぼ等しいことを確認した。ただしノズル［」径〟＝1：く10肌ん3kgi／m島SeC

d＝0．18mmである。

主管入口Re＝8000
図4 複数ノズルヘッド分岐管路内のシミュレ山
ション例（流線）

図2 分岐部のモデル化

β＝1000kが／が〃ニ1×103i（gf／m⑳SeC
主管Reニニ6600

e＝8 nllll

分岐比＝4．／9
分流比＝1／ノ／4

ノズルチップ

図5 分岐管路内のシミュレ肋ション例
団3 シングルノズルヘッド

22（流線。部分）

平成2年度 研究報告 大分県工業試験場
分岐部（主管▼支管接続部）での流れの挙動及びそれ自身による損失影響も無視できないので、支管損失。乱れの規模等には以上のような要因が関与しの形状のみをパラメーターとして、噴流特性（壌食ていると考えられるので、壊食実験と並行して、こ特性）との関係を調べた。

れらのパラメーターを変化させて、コンピューターノズルヘッドとしては図3に示すようなシングルシミュレーションを実施し、流れの挙動等の定性的ノズルヘッドを伺い、管長1二＝8mmを一定としてな把握を試みた。

管径をD2＝0．7mm、0．9mm、1．2mm、2．Ommと変利用した流体解析ソフトウェアは乱流モデルとし化させ壊食試験を実施した。ノズルチップは（1）と同様である。て光￡モデルを採用しており、この方（乱流エネルギー）を乱れの規模を表わす仮の指標とした。

3 結果及び考察（2）シングルノズルヘッドによる壌食実験（1）複数ノズルヘッドによる壊食試験

（1）で検討した分岐部での影響の他に、支管（枝管）

主管径Dl＝￠3mm、6mm、10mmの複数ノズ

7．0

主管㊤＝3m ㌘＝呈￠眺が／cm

6．0・／さしi

モア雲￣￣●二￣王 ∴①②③ ④。 、＼‡！

⊂冨￣嘩頭

環

∴、∴乙0

主管径Dlt＝60s

ヽ● △・二さも・l∴二△・0 0 △ 口0

鼠．8

図6 主管径Dl＝￠3mm複数ノズル
ヘッドによる壌食曲線￠ 12 3 4
い・●・：；∴・：：こ∴7．0・・− ‥・い： ！・j∵‥−・＿∴・卜60s

主管径D−

6、0

ぎ悠W牽首盲詞

5。苺
・こ・！
喝①②③④

≡ヂ野戦冒・−、一0 ⑳ ∠ゝ ロ

2．0
1．0
∴ ・．、． 三 、・、・

図7 主管径Dl＝￠6mm複数ノズル
ヘッドによる壌食曲線

∴・：；ニ

∴：

平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

主管￠＝10mm P＝1000kgぞ／cm

7．U

主管径Dl

も＝60s

6．0

fヒW若読詞′5■0喝

γ4．0①②③ ④冨3。0
了二∴享ニーーこ‥

0 ⑳ △ □●

2．0日∴囲0 ま 2 3 4 5 6 ？ 8

図8 主管径Dl＝￠10mm複数ノズル
ヘッドによる壌食曲線

Ⅹ／d（×102）

ルヘッドによる壊食試験の結果（図6〜8：噴射時

た門（m〜／S巳C2〉

分岐比間t＝60s、圧力P＝1（）00kgf′／cm2）によれば主管内径Dlが小さくなるに従って各ノズルの最大壊食量は大きくなる傾向にあり、同時にそのピーク位置を示すスタンドオフ距離は小さくなる（ノズル側に近づく）傾向がある。また、各ノズルの壌食特性のバラツキも大きくなる。

ただし、高圧水供給位置から一番遠い距離にあるノズル④については主管径の変化にもかかわらずほぼ一定の壊食特性を示す。

また、主管径Ⅰ）1＝3mmの複数ノズルヘッド（ノズルチップ4個）についての流線のシミュレーショ

ン結果を図4に示す。分岐部の流線の分布状況が4つの分岐部で明らかに異なっている。

また、前述したパラメータ（レイノルズ数、分岐比、分流比）を変えて分岐部の流れの挙動のシミュ

デW

KⅣⅠの変化の例

絹径Dユ＝獅㍍諒

レーションを実施した例を図5に示す。これによっ① ② ⑨ ④て乱流エネルギーガの分布も得られるのでこの最分岐比 2′′′′32′／32／32′′′3

大値KMを乱れの仮の指標とすることにより、定性

分流比1′′′41′′／31′／21′′′1

的ではあるが図9に例ホするような、各パラメータ

主管Re 8．06．04．02．0

による乱れへの寄与の把握が可能となる。ただし、×103
図10 複数ノズルヘッド各部での各パラメータの変化の例
24

図9 シミュレーションによる主管径Dl＝￠3mm

等圧下でノズルからの流量は 一定と仮定している。

図9等の結果により他の条件が変化しなければ、Re数。分岐比。分流比が各々大きいほど、乱れの規平成2年度 研究報告 大分県工業試験場

654︵NO互p＼珂5？
4・

P＝1000kgリcm23りん∵⁚⁚・○灯110￣2〟杖（mソsec2）

図13 管摩擦損失と壌食量最大位置図11KMと壌食量最大位置（ピーク位置Ⅹ／d）の関係（ピーク位置Ⅹ／d）の関係（シングルヘッドによる）

P＝1000kgf／cmZ

7、ロt＝60s ヱ＝8ⅢⅡn

糾蕨ミ6、0

これによって1／D2が大きくなれば、等圧下（P＝1000kgf／cm2）で最大壊食時のスタンドオフ距離が小さくなっているのがわかる。また、管路（1−′芯5・0嘲を示す。噴射時間＝60s、圧力P＝1000kgf／cm2である。

D2）による管摩擦損失（この場合の損失。乱れの指4，0標とする）と上記スタンドオフ距離との関係を示す

芸3．0
ご．01．0。

＼。＼と図13のようになる。

△0 1 2 3 4 5 6 7 8Ⅹ／d（×102）

図12 且／D2による壌食曲線の変化（シングルヘッドによる）

4 緒 言
複数ノズルヘッド及びシングルノズルヘッドを用いて壊食実験を行い、複数ノズルヘッド分岐管部（主管一支管）の管路形状等の物理的諸条件によって発生する局部的損失。乱れが下流のウォータージェッ
トの噴流特性に及ぼす影響を調べた。
その結果ノズル上流側の分岐部及びその周辺にお模が大きくなる傾向にあることがわかる。
主管径Dl＝≠10mmの複数ノズルヘッドの場合を例にあげれば図10に示すように各①〜④ノズル部ける損夫十乱れの規模が大きくなる程、最大額食を示す位置でのスタンドオフ距離が短くなることがわかった。

で各々パラメータが異なっているのがわかる。
これらによるシミュレーション結果（KM）と、実5 文

献験によって得られた最大壌食時のスタンドオフ岸巨離1。小林，ウォータージェット技術開発の現状との関係を示すと図11のようになる。管路内の乱れの将来展望9 ターボ機械，1711，1989 pp 674

規模が大きくなると上記距離が小さくなる（ピーク位置Ⅹ／dがノズル側に近づく）のがわかる。

680

2。T．SuuandK，Fujii，DividingFlowmech−anismsinTurbuientflow，Trans．SHASE（2）シングルノズルヘッドによる壊食試験

図12に支管径D2＝￠0．7mm、0．9mm、1．2mm、2血Ommの場合のシングルノズルによる壊食試験の結果

No25，Jun，1984（平成2年度目本ウォータージェット学会広島講演会で発表）
25 皿一・′′・