先細ノズル流れのチョークに関する研究と微小流量用臨界流量計への応用

锥形喷嘴流量节流研究及其在微小流量临界流量计中的应用

基本信息

批准号：
10J08621
负责人：
久保和範
金额：
$ 0.9万
依托单位：
The University of Kitakyushu
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2010
资助国家：
日本
起止时间：
2010 至 2012
项目状态：
已结题

来源：
https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-10J08621/
关键词：
圧縮性流体力学先細ノズルチョーク境界層

项目摘要

チョーク現象を利用して質量流量を測定する装置に臨界流量計がある.臨界流量計は2003年に国際規格や国内規格が制定され,最近では半導体産業などの分野において臨界流量計を用いた微小流量の測定が検討されている。しかるに,ノズル直径を極めて小さくすると境界層の影響が無視できなくなるが,これに関してはこれまでほとんど研究されていない.ゆえに,本研究はチョーク現象に及ぼす境界層の影響を解明することを目的とし,圧縮性や粘性及び希薄気体効果を考慮に入れた解析的研究を行う.本研究では大気吸込み式風胴を用いて測定を行った.測定にはノズル幅36mm,長さ100mm,高さ5mmの直管を取り付けた矩形先細ノズルを用いた.ノズル上流には熱式質量流量計を設置して質量流量の測定を行った。また,圧力・流量測定と同時にシュリーレン法を用いて流れ場の可視化を行った.流れがチョークした後のシュリーレン可視化結果から,ノズル出口近傍でマッハ波が確認でき流れが超音速であることが分った.マッハ波より算出したマッハ数と壁面静圧測定より求めたマッハ数の比較検討した結果,ノズル出口より4mm上流の位置において約5%の誤差があった.この誤差は,壁面静圧は断面にわたって一定であると仮定して解析していることが原因であると考えられる.次に,管内の境界層排除厚さの分布を求めた.その結果,境界層排除厚さはノズル出口よりも上流で最も厚く,その後ノズル出口に向かって減少している.ゆえに,境界層排除厚さが最大となる位置で流れは音速となり,その後は流路が増加することで流れが超音速となることが分った.これらの研究成果を基に国内外のシンポジウムや学会等で口頭発表を行った.また,研究全体をとりまとめ学位論文を完成させ,臨界流量計に関する現在の国際規格及び国内規格を微小流量に適用できるよう成果をまとめ基礎資料の作成を行った.

临界流量计是使用阻塞现象测量质量流量的设备。 2003年为关键流量计建立了国际和国内标准，最近，在半导体行业等领域研究了使用关键流量计的微流量计的测量。但是，如果喷嘴直径极小，则不能忽略边界层的效果，但几乎没有研究。因此，这项研究旨在阐明边界层对扼流现象的影响，并考虑到可压缩性，粘度和稀有气体的影响分析研究。在这项研究中，使用大气吸气风洞进行测量。为了进行测量，使用的矩形锥形喷嘴具有直接管，其喷嘴宽度为36毫米，长度为100 mm，高度为5 mm。将热量流量计安装在喷嘴的上游，以测量质量流速。此外，使用Schlieren方法与压力和流速测量同时使用Schlieren方法可视化流场。从流动cho住后的schlieren可视化结果中，发现流动是超音速的。我们比较了从马赫波和从墙壁静压测量中获得的马赫数计算出的马赫数，并发现从喷嘴出口上游4 mm的位置下的误差约为5％。假设壁静压在整个横截面上是恒定的，认为该误差被认为是由于分析所致。接下来，在管道中的边界层排除厚度确定边界层的分布。结果，边界层的厚度是喷嘴出口的最厚的上游，然后朝向喷嘴出口。因此，发现流动成为排除边界层的位置的声速，然后流动路径增加，从而导致超音速速度。基于这些研究结果，在国内和国际研讨会和学术会议上进行口头介绍。收集了整个研究并完成了论文，并汇总了结果，以允许将当前的国际和国内标准用于关键流量计，并准备好基本材料。