流れ　2014年11月号　目次

―　特集テーマ：2014年度年次大会 (1)　― 巻頭言 （真田，横山，杵淵） 高風速域における大気・海洋間の運動量，熱および物質輸送 小森悟（京都大学） EFDワークショップ：流れ場計測の誤差，不確かさ評価，ノイズ対策 石川仁（東京理科大学） タービンブレードの空力性能改善に向けた剥離流れ検出技術の課題 瀬川武彦，湯木泰親 （産業技術総合研究所） 高速気流のPIV計測と不確かさ 小池俊輔（JAXA） 空気流計測における誤差要因と注意点 寺島修（名古屋大学） 　｜　リンク一覧にもどる　｜

 

空気流計測における誤差要因と注意点

寺島　修 名古屋大学大学院 工学研究科

1.　ニュースレター執筆にあたり

　 日本機械学会2014年度年次大会内の「EFDワークショップ：流れ場計測の誤差，不確かさ評価，ノイズ対策」にて題記講演を予定していたが急遽他業務のスケジュールの関係で講演取止とさせて頂いた．はじめにこの場を借りてコーディネータの東京理科大学の石川仁先生を始め，ワークショップのご関係者にお詫び申し上げる．また，講演取止になったにも関わらず，ニュースレター執筆の機会を与えてくださった豊橋技術科学大学の横山博史先生を始めとした流体工学部門の広報委員の方々に感謝申し上げる．以下，本ニュースレターでは当日講演予定としていた内容を中心に，筆者がこれまで経験した空気流計測における誤差要因と注意点について紹介する．なお，ニュースレターという性質を踏まえ，論文等とは異なり堅苦しくないものとさせて頂いたのでご容赦頂きたい．

 

2.　これまでのEFDとの関わり

　 筆者はこれまで主に実験流体力学 (Experimental Fluid Dynamics: EFD) 分野，特に空気流を対象とした研究開発業務に従事し，実験室レベルでの境界層流や乱流の計測 ^{(1) (2)}や高速鉄道車両周りの変動圧力の計測⁽³⁾⁽⁴⁾など，あらゆる空気流計測に携わってきた．そして，それらの中では熱線流速計や圧力管，せん断応力センサ等の古典的な計測器から近年発達が著しいParticle Image Velocimetry (PIV) やPressure Sensitive Paint (PSP)を用いた計測手法⁽⁵⁾⁽⁶⁾まで様々な計測器/手法を利用してきた．

　 これまでの空気流計測で感じてきたのは，PIVやPSPなどの比較的新しい計測手法では計測誤差・不確かさ・ノイズの大きさの評価の重要度が高く，十分に行われているのに対し，それらの計測手法の計測精度の評価などで使用されることの多いピトー管，熱線流速計，静圧管などの古典的な計測器を使用する際の誤差要因や注意点が記載されている教科書は少なく，実際に使用して初めてその計測精度や誤差要因，注意点に気づかされることも多い．また，時間/工数の制約上や数値流体力学(CFD)への依存度の高まりから，学校や企業の中でもこれらの点について教育や指導が十分に行うことが難しくなってきている現状もある．

　 そこで本ニュースレターでは上述の計測装置を用いて計測を行う際に筆者が経験した誤差要因や注意点，失敗事例について紹介する．

 

3.　熱線流速計を用いた速度計測における誤差要因と注意点

　 熱線流速計を使用する上で気をつけなければならない点として，計測対象としている流体の温度変化，熱線として用いる金属線のアスペクト比などが挙げられるが，時間応答性にも気をつけなければならない．時間応答性は全ての計測器に共通する重要な事象であるため特に熱線流速計に限ったことではないが，「熱線流速計は時間応答性に優れており，乱流計測に適している」という文章をよく目にするためか，熱線流速計の時間応答性を調べた上で乱流計測に使用しているケースは意外に少ない．ここで，筆者が共同研究者と共に熱線流速計の時間応答性を調べた結果を図1に示す⁽⁷⁾⁽⁸⁾．図1中縦軸の値が0となる上限周波数が熱線流速計の時間応答性の上限を表している．図1より，回路や熱線となる金属細線の線径により同一の流速(20 m/s)，温度(20 ℃)の空気流を対象とした場合でも時間応答性が異なっていることが分かる．このため，熱線流速計を用いた計測，特に速度変動の計測を行う場合は予め対象とする流れ場や熱線流速計に応じて時間応答性の確認をしておくことが望ましい．

　 上に挙げた点以外には複数本の熱線で速度の多成分・多点同時計測を行う場合のプローブ(図2参照)^(9)(10)の流れ方向に対する角度や熱線の配置間隔も計測誤差の要因となるので注意が必要である．

Fig. 1 Frequency response of HWA⁽⁷⁾⁽⁸⁾

Fig. 2 Photograph of the probe for the measurement of three components
of velocity ⁽⁹⁾

 

4.　 圧力センサを用いた圧力変動計測における誤差要因と注意点

　 流体中や壁面の圧力変動を計測する際に，圧力孔の大きさに比して圧力センサの大きさが大きいため，図3に示すように圧力孔とマイクロホンなどの圧力センサを細管 (圧力管) を介してつないで計測することが多い^{(9)(11)(12)(13)}．この際，注意しなければならない点として，細管で発生するオルガンパイプ共振と細管と圧力センサの接合部で発生するヘルムホルツ共振がある．これらの共振周波数と計測対象とする周波数が近い場合，計測結果に影響が生じるため，事前にスピーカなどを用いて測定可能な圧力変動の上限周波数を調べておかなければならない (図4, 5参照)．また，図3に示す圧力プローブを用いて流体中の変動圧力を計測する場合のその他の注意点としては，「プローブの角度依存性」や「圧力センサの位相特性」が挙げられる．

Fig. 3 Schematic view of the pressure probe ^(9)(11)

Fig. 4 Amplitude ratio of the measured pressure fluctuation by the pressure probe ⁽⁹⁾.

Fig. 5 Phase difference of the measured pressure
     fluctuation by the pressure probe ⁽⁹⁾.

 

5.　 マイクロスケールセンサを用いた壁面せん断応力計測における誤差要因と注意点

　 MEMS加工技術の目覚ましい発展により，1990年代後半から様々なタイプのせん断応力計測用MEMSセンサが開発されてきた．筆者らも同様のセンサを製作し，せん断応力の計測を行ってきた．図6-9に製作したセンサを示す．一つは熱線流速計と同様の原理で薄膜金属を加熱し，その熱拡散の状況からせん断応力を計測するホットフィルムセンサ，もう一つは微小浮動体に作用するせん断応力を浮動体に接続した櫛歯型電極の静電容量の変化から計測するフローティングエレメントセンサである．センサの詳細については文献^{(14)(15)(16)(17)}を参照されたい．

　 ホットフィルムセンサを用いてせん断応力を計測する際に注意しなければならない点に，「センサの時間応答性」と「微小なせん断応力に対する計測精度」が挙げられる．ホットフィルムセンサは薄膜金属に電圧を印加して発熱させて計測を行うが，金属細線を使用する熱線流速計と異なり，薄膜金属を支えるための基板を設けなければならないため，この基板部の熱容量の大きさにより時間応答性が低下する．このため，時間応答性の高いセンサが必要な場合には，基板の厚さを極力薄くすることや熱容量の小さい材料を基板に使用することが望ましい．

　 フローティングエレメントセンサを用いてせん断応力を計測する際に注意しなければならない点に，「静電気の発生による浮動体の固着」，「ノイズ対策」，の二点が挙げられる．フローティングエレメントセンサは時間応答性や計測可能なせん断応力の範囲などの仕様決定に関する自由度が高い一方，静電気やノイズに弱く，これらの影響が大きい場所での計測は困難となる．例えば，風洞実験にてこられのセンサを使用したい場合は風洞のファン駆動用のインバータなどの電源からノイズを受けるため，インバータのノイズ対策を十分行った上で測定を行うことが望ましい．

Fig. 6 Perspective view of the Hot-film sensor ^(14)(15) 

Fig. 7 Photograph of the heaters of the Hot-film sensor⁽¹⁴⁾

Fig. 8 Top view of the Floating-element sensor ^(14)(16)(17)

Fig. 9 Perspective view of Floating-element sensor^(14)(16)(17)

 

6.　おわりに

　長い歴史を持つ熱線流速計や圧力管を用いた計測では，計測器に対する信頼度の高さやこれまでの実績から計測誤差や不確かさの評価，ノイズ対策を軽視しがちであるが，思わぬ落とし穴となることも少なくない．このため，これらの計測器を用いて計測をされる方々には上述の注意点に気を留めて計測して頂ければ幸いである．

 

謝　　　辞

　本ニュースレターで扱った内容は酒井康彦先生，髙木正平先生，式田光宏先生，長田孝二先生，久保貴先生，肥田博隆先生，阿部行伸博士，森田潔氏，渡辺徹氏，庄司裕一氏，大西一弘氏，三浦健介氏，沢田拓也氏，村松空氏とともに行った研究により得られた成果である．ここに記して関係各位に謝意を表する．

 

文　　　献

(1)	Terashima, O., Izawa, S., Inasawa, A. and Fukunishi, Y., “Streamwise Interfaces of an Isolated Turbulent Region in a Laminar Boundary Layer”, Journal of Fluid Science and Technology, Vol. 7, No. 1 (2012), pp. 140-154.
(2)	Izawa, S., Maita, H., Terashima, O., Xiong, A.K. and Fukunishi, Y., “Sound Suppression of Laminar Separating Flow over Cavity”, JSME International Journal Series B Fluids and Thermal Engineering, Vol. 49, No. 4 (2006), pp. 1092-1097.
(3)	阿部行伸，森田潔，寺島修，“模型試験と数値解析を用いたトンネル微気圧波性能評価”，日本機械学会交通物流部門大会講演論文集，Vol. 8, No. 68 (2008), PP. 65-66.
(4)	阿部行伸，森田潔，寺島修，“圧縮性流体解析を用いたトンネル微気圧波解析”，日本機械学会年次大会講演論文集(2009)，PP. 157-158.
(5)	Kodera, T., Nagai, H., Asai, K. and Terashima, O., “Flow-Induced Vibration of a High-speed Train Running in a Tunnel”, Proceedings of KSAS-JSASS Joint International Symposium on Aerospace Engineering (2008), pp. 267-272.
(6)	寺島修，阿部行伸，小寺健幸，永井大樹，浅井圭介，“高速車両に作用する流体力評価手法の検討”，日本機械学会交通物流部門講演会講演論文集 (2008)，PP. 61-64.
(7)	Terashima, O., Sakai, Y., Onishi, K., Nagata, K., Ito, Y. and Miura, K., “Improvement of the constant temperature anemometer and measurement of energy spectra in a turbulent jet”, Flow Measurement and Instrumentation, Vol. 35 (2014), pp. 92-98.
(8)	寺島修，大西一弘，酒井康彦，長田孝二，髙木正平，“定温度型熱線流速計の周波数応答特性を向上させる試み”，日本機械学会論文集B編，Vol. 78，No. 788 (2012)，PP. 862-866.
(9)	Terashima, O., Onishi, K., Sakai, Y., Nagata, K. and Ito, Y., “Simultaneous measurement of all three velocity components and　pressure in a plane jet”, Measurement Science and Technology, Vol. 25 (2014), 17pp.
(10)	寺島修，渡辺徹，森田潔，阿部行伸，酒井康彦，長田孝二，大西一弘，“流体騒音研究へのPOD複合解析の適用”，日本機械学会論文集B編，Vol. 79，No. 808 (2013)，PP. 2764-2768.
(11)	Terashima, O., Sakai, Y., and Nagata, K., “Simultaneous measurement of velocity and pressure in a plane jet”, Experiments in Fluids, Vol. 53 (2012), pp. 1149-1164.
(12)	大西一弘，寺島修，酒井康彦，長田孝二，伊藤靖仁，“速度・圧力多点同時計測結果へのPOD-LSE複合解析の適用による二次元噴流の乱れエネルギ輸送の評価”，日本機械学会論文集，Vol. 80，No. 809 (2014)，P. FE0010.
(13)	Terashima, O., Sakai, Y., Nagata, K., Ito, Y. and Onishi, K., “Experimental verification of the turbulence models for the pressure diffusion process in a turbulent plane jet”, International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 89 (2014), pp. 12-20.
(14)	Terashima, O., Sawada, T., Sakai, Y., Nagata, K., Hida, H. and Shikida, M., “Measurement of wall shear stress by using Micro-fabricated Hot-film and Floating-element Sensors”, Journal of the Japanese Society for Experimental Mechanics, Vol. 13 (2013), pp. s1-s6.
(15)	Sawada, T., Terashima, O., Sakai, Y., Nagata, K., Shikida, M., Ito, Y. and Muramatsu, S., “On the measurement of wall shear stress with a patch-type micro-fabricated hot-film sensor”, Journal of Fluid Science and Technology, in Press.
(16)	Sawada, T., Terashima, O., Sakai, Y., Nagata, K., Shikida, M., Hida, H., Onishi, K. and Ito, Y., “A technique for the measurement of wall shear stress based on micro fabricated hot-film sensor”, ASME 2013 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, Vol. 7B (2013), 7 pp.
(17)	Sawada, T., Terashima, O., Sakai, Y., Nagata, K., Shikida, M., Muramatsu, S. and Ito, Y., “Measurement of wall shear stress fluctuation with the micro-fabricated hot-film sensor in a boundary layer of a wall jet”, Journal of the Japanese Society for Experimental Mechanics, Vol. 14 (2014), PP. S13-S18.