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公開番号2025095504
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-26
出願番号2023211546
出願日2023-12-14
発明の名称流速およびクォリティの算出方法、流速およびクォリティの算出プログラム
出願人国立大学法人東海国立大学機構
代理人個人
主分類G01F 1/00 20220101AFI20250619BHJP(測定;試験)
要約【課題】気液二相噴流において、熱力学および流体力学のエネルギー保存式を厳密に満たす噴出口流速およびクォリティを得る。
【解決手段】液体が流入する噴出口から噴出する気液二相噴流の流速およびクォリティを算出する方法は、液体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップS1と、気液二相噴流の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップS2と、噴出口における気液二相噴流の気相の質量流量を計算するステップS3と、気液二相噴流の流速およびクォリティを計算するステップS4と、を含む。
【選択図】図10
特許請求の範囲【請求項１】
液体が流入する噴出口から噴出する気液二相噴流の流速およびクォリティを算出する方法であって、
前記液体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップと、
前記気液二相噴流の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップと、
前記噴出口における前記気液二相噴流の気相の質量流量を計算するステップと、
前記気液二相噴流の流速およびクォリティを計算するステップと、
を含み、
前記気相の質量流量を計算するステップは、
TIFF
2025095504000123.tif
40
169
を用いて計算を行い、
前記流速およびクォリティを計算するステップは、
TIFF
2025095504000124.tif
40
169
TIFF
2025095504000125.tif
40
169
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2025095504000126.tif
40
169
を用いて計算を行い、
TIFF
2025095504000127.tif
40
169
は、前記気体および液体の合計質量流量を表し、
TIFF
2025095504000128.tif
40
169
は、前記噴出口における前記気液二相噴流の気相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000129.tif
40
169
は、前記噴出口における前記気液二相噴流の液相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000130.tif
40
169
は、外部からの単位時間あたりの加熱量であり、正のとき流体が外部から加熱され、負のとき流体が外部から冷却されていることを表し、
ｈ
１
は、前記噴出口上流における液体の比エンタルピーを表し、
ν
Ｖ２
は、前記噴出口における気相の比体積を表し、
ν
Ｌ２
は、前記噴出口における液相の比体積を表し、
ｈ
Ｖ２
は、前記噴出口における気相の比エンタルピーを表し、
ｈ
Ｌ２
は、前記噴出口における液相の比エンタルピーを表し、
Ａは、前記噴出口の開口面積を表し、
ｕ
２
は、噴出口における流速を表し、
ｘ
２
は、噴出口におけるクォリティを表すことを特徴とする方法。
続きを表示（約 6,300 文字）【請求項２】
前記液体の質量流量および比エンタルピーは、前記液体の初期温度および初期圧力から計算されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
液体が前記噴出口に流入する流路は断熱されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記噴出口の断面における流れは、液相と気相とが一様な流速で流出している均一分散流であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記噴出口における状態は、減圧沸騰による気液混相状態であることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
気体供給機構と、液体供給機構と、気体および液体を合流させて前記液体を微粒化させる二流体ノズルと、を含む噴流発生装置の二流体ノズルから噴出する気液二相噴流の流速およびクォリティを算出する方法であって、
前記二流体ノズルに流入する液体および気体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップと、
前記気液二相噴流の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップと、
前記二流体ノズルにおける前記気液二相噴流の気相の質量流量を計算するステップと、
前記気液二相噴流の流速およびクォリティを計算するステップと、
を含み、
前記気相の質量流量を計算するステップは、
TIFF
2025095504000131.tif
70
169
を用いて計算を行い、
前記流速およびクォリティを計算するステップは、
TIFF
2025095504000132.tif
40
169
TIFF
2025095504000133.tif
40
169
TIFF
2025095504000134.tif
40
169
を用いて計算を行い、
TIFF
2025095504000135.tif
40
169
は、前記気体および液体の合計質量流量を表し、
TIFF
2025095504000136.tif
40
169
は、前記二流体ノズルにおける前記気液二相噴流の気相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000137.tif
40
169
は、前記二流体ノズルにおける前記気液二相噴流の液相の質量流量を表し、
ｈ
１
は、前記二流体ノズル上流における液体の比エンタルピーを表し、
ν
Ｖ２
は、前記二流体ノズルにおける気相の比体積を表し、
ν
Ｌ２
は、前記二流体ノズルにおける液相の比体積を表し、
ｈ
Ｖ２
は、前記二流体ノズルにおける気相の比エンタルピーを表し、
ｈ
Ｌ２
は、前記二流体ノズルにおける液相の比エンタルピーを表し、
Ａは、前記二流体ノズルの開口面積を表し、
ｕ
２
は、前記二流体ノズルにおける流速を表し、
ｘ
２
は、前記二流体ノズルにおけるクォリティを表すことを特徴とする方法。
【請求項７】
第１位置と前記第１位置より下流の第２位置との間に加熱機構または冷却機構を備えた配管を通過する流体の流速およびクォリティを算出する方法であって、
前記流体は、前記第１位置において液体であり、前記第２位置において気液二相流体であり、
前記第１位置における流体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップと、
前記気液二相流体の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップと、
前記第２位置における前記気液二相流体の気相の質量流量を計算するステップと、
前記気液二相流体の流速およびクォリティを計算するステップと、
を含み、
前記気相の質量流量を計算するステップは、
TIFF
2025095504000138.tif
40
169
を用いて計算を行い、
前記流速およびクォリティを計算するステップは、
TIFF
2025095504000139.tif
40
169
TIFF
2025095504000140.tif
40
169
TIFF
2025095504000141.tif
40
169
を用いて計算を行い、
TIFF
2025095504000142.tif
40
169
は、前記第１位置における流体の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000143.tif
40
169
は、前記第２位置における前記気液二相流体の気相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000144.tif
40
169
は、前記第２位置における前記気液二相流体の液相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000145.tif
40
169
は、外部からの単位時間あたりの加熱量であり、正のとき流体が外部から加熱され、負のとき流体が外部から冷却されていることを表し、
ｈ１は、前記第１位置における前記流体の比エンタルピーを表し、
ν
Ｖ２
は、前記第２位置における気相の比体積を表し、
ν
Ｌ２
は、前記第２位置における液相の比体積を表し、
ｈ
Ｖ２
は、前記第２位置における気相の比エンタルピーを表し、
ｈ
Ｌ２
は、前記第２位置における液相の比エンタルピーを表し、
Ａは、前記第２位置の断面積を表し、
ｕ
２
は、前記第２位置における流速を表し、
ｘ
２
は、前記第２位置におけるクォリティを表すことを特徴とする方法。
【請求項８】
液体が流入する噴出口から噴出する気液二相噴流の流速およびクォリティを算出するプログラムであって、
前記液体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップと、
前記気液二相噴流の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップと、
前記噴出口における前記気液二相噴流の気相の質量流量を計算するステップと、
前記気液二相噴流の流速およびクォリティを計算するステップと、
を含み、
前記気相の質量流量を計算するステップは、
TIFF
2025095504000146.tif
40
169
を用いて計算を行い、
前記流速およびクォリティを計算するステップは、
TIFF
2025095504000147.tif
40
169
TIFF
2025095504000148.tif
40
169
TIFF
2025095504000149.tif
40
169
を用いて計算を行い、
TIFF
2025095504000150.tif
40
169
は、前記気体および液体の合計質量流量を表し、
TIFF
2025095504000151.tif
40
169
は、前記噴出口における前記気液二相噴流の気相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000152.tif
40
169
は、前記噴出口における前記気液二相噴流の液相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000153.tif
40
169
は、外部からの単位時間あたりの加熱量であり、正のとき流体が外部から加熱され、負のとき流体が外部から冷却されていることを表し、
ｈ
１
は、前記噴出口上流における液体の比エンタルピーを表し、
ν
Ｖ２
は、前記噴出口における気相の比体積を表し、
ν
Ｌ２
は、前記噴出口における液相の比体積を表し、
ｈ
Ｖ２
は、前記噴出口における気相の比エンタルピーを表し、
ｈ
Ｌ２
は、前記噴出口における液相の比エンタルピーを表し、
Ａは、前記噴出口の開口面積を表し、
ｕ
２
は、噴出口における流速を表し、
ｘ
２
は、噴出口におけるクォリティを表すことを特徴とする方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項９】
気体供給機構と、液体供給機構と、気体および液体を合流させて前記液体を微粒化させる二流体ノズルと、を含む噴流発生装置の二流体ノズルから噴出する気液二相噴流の流速およびクォリティを算出するプログラムであって、
前記二流体ノズルに流入する液体および気体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップと、
前記気液二相噴流の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップと、
前記二流体ノズルにおける前記気液二相噴流の気相の質量流量を計算するステップと、
前記気液二相噴流の流速およびクォリティを計算するステップと、
を含み、
前記気相の質量流量を計算するステップは、
TIFF
2025095504000154.tif
70
169
を用いて計算を行い、
前記流速およびクォリティを計算するステップは、
TIFF
2025095504000155.tif
40
169
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2025095504000156.tif
40
169
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2025095504000157.tif
40
169
を用いて計算を行い、
TIFF
2025095504000158.tif
40
169
は、前記気体および液体の合計質量流量を表し、
TIFF
2025095504000159.tif
40
169
は、前記二流体ノズルにおける前記気液二相噴流の気相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000160.tif
40
169
は、前記二流体ノズルにおける前記気液二相噴流の液相の質量流量を表し、
ｈ
１
は、前記二流体ノズル上流における液体の比エンタルピーを表し、
ν
Ｖ２
は、前記二流体ノズルにおける気相の比体積を表し、
ν
Ｌ２
は、前記二流体ノズルにおける液相の比体積を表し、
ｈ
Ｖ２
は、前記二流体ノズルにおける気相の比エンタルピーを表し、
ｈ
Ｌ２
は、前記二流体ノズルにおける液相の比エンタルピーを表し、
Ａは、前記二流体ノズルの開口面積を表し、
ｕ
２
は、前記二流体ノズルにおける流速を表し、
ｘ
２
は、前記二流体ノズルにおけるクォリティを表すことを特徴とする方法をコンピュータに実行させるプログラム。
【請求項１０】
第１位置と前記第１位置より下流の第２位置との間に加熱機構または冷却機構を備えた配管を通過する流体の流速およびクォリティを算出するプログラムであって、
前記流体は、前記第１位置において液体であり、前記第２位置において気液二相流体であり、
前記第１位置における流体の質量流量および比エンタルピーを取得するステップと、
前記気液二相流体の気相および液相のそれぞれの比体積および比エンタルピーを取得するステップと、
前記第２位置における前記気液二相流体の気相の質量流量を計算するステップと、
前記気液二相流体の流速およびクォリティを計算するステップと、
を含み、
前記気相の質量流量を計算するステップは、
TIFF
2025095504000161.tif
40
169
を用いて計算を行い、
前記流速およびクォリティを計算するステップは、
TIFF
2025095504000162.tif
40
169
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2025095504000163.tif
40
169
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2025095504000164.tif
40
169
を用いて計算を行い、
TIFF
2025095504000165.tif
40
169
は、前記第１位置における流体の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000166.tif
40
169
は、前記第２位置における前記気液二相流体の気相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000167.tif
40
169
は、前記第２位置における前記気液二相流体の液相の質量流量を表し、
TIFF
2025095504000168.tif
40
169
は、外部からの単位時間あたりの加熱量であり、正のとき流体が外部から加熱され、負のとき流体が外部から冷却されていることを表し、
ｈ１は、前記第１位置における前記流体の比エンタルピーを表し、
ν
Ｖ２
は、前記第２位置における気相の比体積を表し、
ν
Ｌ２
は、前記第２位置における液相の比体積を表し、
ｈ
Ｖ２
は、前記第２位置における気相の比エンタルピーを表し、
ｈ
Ｌ２
は、前記第２位置における液相の比エンタルピーを表し、
Ａは、前記第２位置の断面積を表し、
ｕ
２
は、前記第２位置における流速を表し、
ｘ
２
は、前記第２位置におけるクォリティを表すことを特徴とする方法をコンピュータに実行させるプログラム。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本開示は、流速およびクォリティの算出方法、流速およびクォリティの算出プログラムに関する。
続きを表示（約 2,100 文字）【背景技術】
【０００２】
液体燃料を減圧沸騰させつつ内燃機関の燃焼室に噴霧することで、効率的な空気との混合を実現する技術が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
水蒸気中に水滴を分散させた噴流で洗浄を行う技術が提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
千田二郎、錦織環, 北條義之, 塚本時弘, 藤本元：減圧沸騰噴霧の微粒化・蒸発過程のモデリング：第１報、噴霧特性の背圧による変化、日本機械学会論文集B編、60-578（1994）、3551-3555．
Sanada, T., Watanabe, M., Shirota, M., Yamase, M., Saito, T.: Impact of high-speed steam-droplet spray on solid surface, Fluid Dynamics Research, 40 (2008), 627-636.
佐藤航太、岡島淳之介：熱力学的自己抑制効果と壁面加熱がノズル内キャビテーションに及ぼす影響、混相流、37-1（2023）、86-93．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
湿り蒸気（すなわち、水滴を含む水蒸気）のような単一成分からなる気液二相流（すなわち、気体および液体の混合物の流れ）は、外界との熱の授受あるいは圧力変化を契機として蒸発や凝縮が発生する。このため、気体および液体の質量含有率が容易に変化する。以下本明細書では、気液二相流における流体の全量に占める気体の質量分率を「クォリティ」と呼ぶ。すなわち、気液二相流におけるクォリティｘは以下で定義される。
ｘ＝気体の質量／（気体の質量＋液体の質量）
【０００６】
一般に気液二相流は、汎用的な流量計や流速計の測定対象から外れることが多い。このとき気液の混合分率のみならず、混合形態によりその流動様相が千差万別に変化するため、その流動状態を把握することが非常に困難であるという問題がある。
【０００７】
さらに単一成分の気液二相流の場合、蒸発と凝縮を伴うことに起因して、異種成分の気液二相流に比べ、状態把握はより一層困難となる。例えば異種成分の気液二相流の場合、一般には気相と液相との間で物質移動が起こらないため、閉じた空間内であればその気液比は原則的に一定となる。これに対し単一成分の気液二相流では、蒸発・凝縮により、気液の混合分率が容易に変化する。さらに異種成分の気液二相流であれば、温度および圧力を測定することで、状態方程式に基づいて流体の密度を知ることができる。これに対し単一成分の気液二相流では、原則的に温度および圧力が飽和状態の値に拘束され、かつ気液の混合分率はそれらと無関係に変化する。このため、温度および圧力を手がかりとした状態把握も不可能となる。
【０００８】
例えば単一成分気液二相噴流において、気相と液相の合計質量流量を一定に保った上で、クォリティを変化させたときの流動様相の変化を考える。このとき、クォリティの変化に伴い、流速、消費・出力エネルギー、噴霧範囲などといった噴流の流れを特徴づけるあらゆる側面が劇的に変化する。例えば、クォリティ（気体の質量分率）が高ければ高いほど、流速は高速で、エネルギーは高く、噴射範囲は広く、到達距離は短くなる。逆にクォリティが低ければ低いほど、流速は低速で、エネルギーは低く、噴射範囲は狭く、到達距離は長くなる。
【０００９】
上述したように、同一成分の気体と液体とが混合した噴流は、その流動状態の把握、予測、制御が困難である。しかしその反面、その制御手法を構築すれば流れの状態を能動的に幅広く変化させることが可能となるため、様々な工学的応用が検討されている。この種の噴流の応用には、内燃機関への燃料噴霧、液体ロケット、洗浄機といった「蒸発・凝縮を伴う流れを人為的に発生させ、能動的に制御して工学的に応用する分野」と、高温高圧水や液体水素の配管・容器からの漏洩事故時の安全対策といった「意図せず自発的に発生する減圧沸騰噴流への受動的安全対策を講じる分野」とが存在する。いずれの場合も、事前に噴流挙動を予測・把握することが必要である。このとき、噴流の挙動を決定づける境界条件として、噴出口における流速および気液比を得ることが極めて重要となる。
【００１０】
非特許文献１に開示された技術は、内燃機関における液体燃料の噴霧において減圧沸騰を誘起することで燃料の微粒化を促進することで良好な条件での燃焼を実現するものであり、噴出口における流速およびクォリティの値は噴流挙動を決定づける重要なパラメータである。しかし、これらのパラメータについて熱力学と流体力学のエネルギー保存を矛盾なく満たす理論解は未だ得られていない。
（【００１１】以降は省略されています）

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