supairaru furo o mochiita jetto kattingu ni kansuru kenkyu

111･稲田大学審査学位論文(博士). 月. ラコ. -. -ａ. 皿． 一一. ㎜一一− 一. ･＝一一ａ・. -. /へ、. ごご. ㎜=･●. ／−-. ／゛ｆ”’″㎡.

スパイラノしフローを用いた ジェットカッティングに関する研究. 平成了年３月. 武居昌宏.

.. −. −. 序文. 本論文は、より小さな投入エネルギーで対象物をより深く切削する高効率なジェ ットカッティングシステムを提供することを目的とし、特殊な形状を持ったスパイ ラルジェット・ノズルを用いて、ジェットノズル形状とノズル内の流れとの関係、 ジェットノズル形状と噴流構造との関係、噴流構造と切削機構との関係、および、 この噴流の研磨材添加エアージェットヘの応用について、全１２章にわたって述べ たものである。 高効率な切削を実現するために、スパイラルフローを用いたことに本研究の大き な特徴がある。スパイラルフローは、高収敵性、高安定性、および、自由渦領域の 大きな旋回成分を備えた噴流であり、このスパイラルフローを用いることにより、 噴流からの切削面に対するエネルギー伝達率が向上し、高効率切削が可能となった。.

.−.. ｊＣらららＦ刄和総和. ら松戸￡瓦ゾミ、らＦ. 瓦斤. 主な記号. 積分定数. 目. 積分定数. 目. 壁面摩擦係数. 口. 旋回速度に関する定数. [-]. 旋回速度に関する定数. [-]. 単位質量に作用する外力. [N/kgl. ノズル出口から切削面までの距離. [ml. エネルギー伝達率に関する定数. ﾄ]. 定数. ﾄ]. 定数. 口. 外力に関する定数. ￨-]. 外力に関する定数. 【-】. 半径速度に関する定数Ｏｏ一万０十り)) 噴流内の静圧. 【Pa】. ノズル噴出口の半径. [m]. ノズル吸引口の半径. 【ml. 全体の応力分布. 【Pa】. 半径方向のレイノルズ数回召馬言○. [-] １ ハ. ｍ Ｌ. 噴流速度の微小擾乱の振幅の大きさ 辱. 口. 衝突面上での圧力分布における半値幅. [ml. Ｃ. 微小擾乱の波の伝播速度. [m/sl. ｄ. ノズル噴出口の直径. [nun]. 面. 研磨材添加エアージェットノズルの直径. [nlln]. 面. ラバルノズルののど部の直径. [lnln]. 重力加速度. [m/s2]. 軸方向の波数. [1/m]. 圧力分布式に関する定数. [-]. 圧力分布式に関する定数. 日. 刄 た. 圃. た 1. ≒. ‰. 圧力分布における半匝幅.

．−. 旋回速度式に関する定数. [-]. ?n2. 旋回速度式に関する定数. 目. 軸速度式に関する定数. [-]. 噴池内の静圧. fPa]. pmax. 噴流内の郎圧の最大値. [Pa]. 片. 通常噴流におけるよどみ点での加圧［＝匯｡｡］。g）. 【Pa】. 片. 無次元化した半径方向の長さ（＝ヅリ. 【-】. ｎ ｐ. 7711. r=7?における半経速度成分. l与R3. r=凡における半径速度成分. １ ソＳ. む可?. 川 面. 噴流の速度. ｒ円. t/. ド］. スパイラル・エアージェットノズルの絞り角度. ド］. 1. フバルノズルの絞り角度. ド］. 2. ラバルノズルの開き角度. ド］. θ. θ. １Ｓ. ２／ ｍ. Ｅ. １ ４. １ 仏 匝. 勤粘性係数. μ. ︱ か. ｍ. Ｅ. ７ｙ ｔ. スパイラルジェットノズルの絞り角度. 渦勤粘性係数. Ｑ］︶. 容積密度. 阪/m3]. 主軸応力分布. [Pa]. 71. 軸速度成分に起因するせん断摩擦応力分布. [Pa]. 7θ. 旋回速度成分に起囚するせん断摩擦応力分布. [Pa]. 添え宇 通常噴流 ｊ ｎ!ａｘ. 差分法における格子番号 最大値 スパイラルジェット. Ｓ. ｋ ｔ. 半径速度成分 旋回速度成分. Ｚ. 軸速度成分 平均.

■㎜. −. 微小擾乱 変動 ＊. 無次元化. ＋. 無次元化.

−. スパイラルフローを用いたジェットカッティングに関する研究 目. 第１章. 次. 乃. 緒. １. １．１ １．２ １. ３. １. ４. 研究の背景---……------…………………---…------……---------………---……---……-1. 研究目的. 工. ４．. １. ４．２. １. ５. １. 高効率切削に及ぼす噴流の収斂性と安定性……………------………---……２. 高効率切削に及ぼす噴流の旋回性…-一一…………………−……-一一…一一,……-3. 本数の嘔｡-……………------−---−………………-----………---…---…………-3. 参考文献………………−………−---……………………---…------……−…---………………--5 標圖‥-･覧……………−……---一一……………………------−…---……−---……-----一一……一一6 図表 第２章駐賤-一一…………………………一一……一一…一一一一…一……一一……………-一一7 ｎ乙 ２. １. ２. CX4 Cxj. Cg Cxl ２. ３. ２. ４. 1. スパイラルフローに関する基礎研究−−−………---…………………−----7. 2. スパイラルフローに関する応川研究………---……………---………------…-8. ノズル形状とノズル内の流れに関する既往研究…---……---………………------…-8 噴流構造に関する既往研究−…………………………---…………--一一---……---−-9 ４ ４. １. 高効率切削を実現するための水噴流に関する既往研究一一一一………--一一一一一一9 ９Ｊ. cPxl. ４. ２. ２. スパイラルフローに関する既往研究…………………………………---………-----一一7. ５. ３. 噴流の収敵性に関すろ既住研究---……---……---………………………-------11 噴流の安定性に関する既往研究---……………---……---…---…---……-------11. 切削階調に関する既往研究−……一一,一一-一一一一一…一一---−------…………---…-12. 参考文献,--…-,-……一…--･---------−…---……---−……一……---……---……………………一一12. 標題一覧………一−･-----−---……−…---------……---…………---……………………---……一一15. 図表 第３章 ３. スパイラルジェット・ノズル内の流れに関する基礎実験………-------･----…………16 １. ２.

ミ. ３. ２. ３. スパイラルジェット・ノズル･内の副Fil速度の附則￨』-,-…-----------…---…………−16 ２. ３. １. 実験帽阿. 16. ２２実験条件……………---…………---−…−……---……………-----−---……-】８. ３. ２. ３. ３. 実験結果. 18. 旋回速度分布とレイノルズ応力分布との比較……………----−---………−---…-19 ３. １. 旋回方向と半径方向の乱流. ３. ２. ノズル内のレイノルズ応力. …−……-19. ４. ０ １ Cxl C9. CQ Cyl ３. ３. 参考又献−---…………---------……………---…………………------･--…………-一一……一一一一…一一21 標題一覧−…………--･-･-･--……………---−------------…--一一…………………………−……--22 図表 第４章. スパイラルジェッ1ヽ・ノズル内の流れに関する理論解析---…………………一一一一…23. ４ ４. １. ２. 半径速度の旋回速度への影響に関する近似解析……---…………………---………-２３. ４ ４. ２．１ ２. ４. ２. 拡礎式と仮定……………−………−---−……---……---…………---…---…-23. 解析方法と解析結果. 25. ３. 参考文献…………---…---……---………---……---･--……………一一…………………------一一-26 標ﾄ覧---……一一一一…一---……………………………………---…………･-----…--･……一一27 図表 第５章スパイラルジェッlヽの詮収肘る諮辿…--……………一…………一一一一一一28 ５. １. ５. ２. 空気I慧の覗叱捜｡-…------･-----…---…………−−-･-･-----…--一一………---…-28. ５２１端節と辿条件--…---−---……−……---…………---…---……………--28 5こ２端結果----−−−--……--……一………………………−……--………-29 ５. 3. 水噴紅可視化端−−…………---…………………---…………---…………-------２９. ５．３．１実験頌…−--−……………………--…………………一一……一一…一一一一３０ ５．３．２端条件と端緒恥-･--……−……………一…--…--…-･……………-30. ４. ５. ５. 軽速度分布の計測 ４. １. 嫂頌と媛鋲i. 31. --………-----･……………………...……...……………..31.

F-･●w. ．−．. ５. ４. ５. 炭団成分の可炭化. ５. ５. 掴賤…--------………---------−…---…………………--……---…----------31. ２. 32. ５ﾄﾞ塊訟副座丿匹･………………,…--………-･----･-−---…------−……--32. ５. 52捕結果…………………---−------…………---−………………---…---−…-32. ５. ６. 旋『諮勁布の順…---……−--一一……---…---−------………………---……--…-３３. Q LQ. ６．１実験該と実験条沁･……………………………--−……--………………-３３ ６．２嬬結果−………………………………………−……-･-−…−−--…---一一33. ５．. ７. 半径速度分布の計測」. LQ Ln. 掴茄と娠頴にｰ----…………------------−---…---……---…---…………34. １. ２. ｊ. ５. 34. 実験結果………………------……………………--･…………………---−---…-34. ８. 参考文献--……---…---…………………………---…−………………---------………−………一一35 韻一覧---………−---･-----------…---…---………………………---…-----一一一一………-一一…一一36 図表 第６章スパイラルジェットの収胎に関すろ脂回折--………一一--……………−−…-37 q︶ Q. １. ２. 吐￨似郭'る近訓析---………………--……………………………------…---…-37 CN C9. Q Q. ∩,吻式と仮定−−−…………------……………---……---…-------･-…………-37 2解析方法床脱果……………------…………---……---……………---−----39. ６. ３. 噴流の設池の斯…………………------−･-･………---…………------−………----41. ６. ４. まとめ. 42. 参考文献…---……---…---……………………………-------･-………---……………--一一………一一42. 標題一覧. 42. 図表 第７章スパイラルジェッ㈲窓絹する基礎辿………一一……一一………………--一一43 ７．１ ７. ２. 空気噴流の可視化実験…………---……−･--･-･-･-……---……………−------−-------43. CX］1. ７ ７. １実験装置と嬬条件--−……-----------………---…一……………−…--------43. 2. ７. ３. 実験結果---………------………-----･---…………--…--…----･-−…………--一一44. 水噴勧可欲嫂………---……---…---…………−---−.-....…...…...…..........44.

一一. CP9. ［／Ｉ ７. １. ２. ﾘぶ験装置ど辺おy游……………-一一…一…………………………--一一………-4jl が験結果. 44. 万. ４. ７. 半径. ７. ４. ７. ４. １. ．２. 向の乱流強度のμ』定. 45. IJj験装II;Ili……………. 45. 実験条件と鶏獄｡…--−-…………………−---−………---……………-45. LUS︶. ７１. 軸方向 と旋回加]の乱燧仁一---…………………-･-……………---------−…----47. ７. 参考文献…---…………-----,…----･----…−一一---･--………---……------…---…---……………--48. 標題一覧. 48. 図表 第８章. スノ4イラルジェットの安定性に関すろjJ隠a解析……………---−……一一…---……-50. 只︶ 只︶. １. ２. 安定性に関する近似解析−…−…−---…………………………………---…---…----50. ２. ８. 基礎式と仮定------------−−−---−−---……−------……………---…---…--'50 CNI C9. Cg N. ８ ８. ，1. 線形徴分方程式の算1］. 一一一一. 51. 剃油で:よる解析,-一一一一,--…--･………………･--…---−−−---−……………-53. ８. ３. 高安定性に寄与する軸速度分布'--………………---………………---……………-----54. ８. ４. ま. 参考文献−---一一-一一一-一一一一…---…---……---……一……---…-･-−---−一一---………---…--56. 標題一覧. 56. 図表 第９章切腹駄関する基礎掴--………………………−--…………−-.……………….57 Q Q. １. ２. 7k噴流を用副窓辺9…---……………---------……………………---……………-57. ９. 2.1実験節--−…--……−一一−−一一………−…………−………………-57. ９. 22実験条件と実践栄一一一一一,一一一一一一一一-,---…---…一…………---−……---………-58. ３. ９. ９ ９ ９. 高効率切削に関する実験的考察 ３. １. 切籍iひづる噴勧狸………………-･--･---･……-･-･…………---………-59. ３. ２. 卸圧分布測定一----……………………………−−…−------−--------−−…-60. ３. ３. 衝突面における副司成分の側定. 59. 一一61.

･一一一一一一. ９. ４. 参考文猷------−−…---…---−---………………………………一一一一一…−------−…−……一一一一-62. 指一覧………………------……………………---…--−--……------…………………………--62. 図表. 第１０章. 切削削苛に関する懇願刊行. …一一64. １０．１ １０．. ２. 切削機構に関する近似解析------------−…………------……………---……………-64. １０．２. １ Ｉ を ︱ Ｉ. 合成応力分布の基礎式｡-………………---…−………---…………………--65. ’ｒ. １. Ｆ. １０．２. ２. 主軸応力分布. １０．２. ３. 旋回速度成分に起因するせん断加奈応力分布−……………………--一一66. １０．２. 4. 軸画伯勧}に起因するせん￨旧即決;力分布---−…---……---……………66. １０．３. 65. lj噴流における応カタ．. １０．４ 参考文献……一一一一-,一一−……………………………………---…………………………---……--70 標題一覧-･----…---……………………………---…………--･--･……−…･--------…-･-…………一一70. APpendix式けO一閲と式(10-1. Ａ−１. 式(匹川の算出. 71. Ａ−２. 式けOJ)の算出. 71. 図表. １ １ 。. Cg C9 l 。 l‘. 第１１章. 研磨材添加エアージェットヘの応用 １. １１．２. 研磨材添加エアージェットの工業的利川の現状−---…------−…---……………73. １１．３. 高効率研磨材添加エアージェッ. １１．４. 高効率研磨材添加エアージェットの￨箭茫方引･--…--一一……---−---……---……--75. １. １. １. ５. トの必要性…………---…---……………---…----74. 研泗材添加エアージェットを用いた掘削実験……------…………------…---…----75. １. １. ５. １. 実験装置. １. １. ５. ２. 実膨勝｡…---…………−--･…−…一--……………---…------…------−-･76. １. １. ５. ３. １. １. ６ １. 実験結果. 75. −−−. 76. 高効輔駄関する考察………−…………-----･……………−−---−-･----−−-･77 ６. １. 噴射状況の可視化. 77.

㎜㎜■㎜. ㎜■. １１． １１. ６．. ２. 噴流内の研磨材の速度……………………---−…………-一一……−………,78. ま. 参考文献…−---……………------…−………………---……一…………………………−---…--79 標題‥･覧. 80. 図表. 第１２章. 結論. 81.

章. 緒論. 1.1.概要 この章では、本研究を行なう上での、研究の背景、研究目的、研究方針、および、 本論文の概要について述べる。. 1.2.研究の背景 従来から、建設業、自動単産業、および、医学分野等において、高圧空気噴流お よび高圧水噴流が、地盤改良技術士1]、トンネル内の掘削技㈹1-2]、材料のばり収 り技術[1-3]、洗浄技雨声払および、外科手術[1-5]等に利用されている。このよう な高圧噴流を用いた技術の中でも特に初出技術に関しては、より小さな役人エネル ギーで対象物をより深く切削することが、エネルギー効率の観点から非常に重要な ことであり、現在まで、多くの研究がなされてきた。 このような高効率切削は、高圧暗流を水中で用いる場合、特に重要な問題となる。 現在、海底油田のプラットホームの解体撤去や原子炉の解体等に、水中切削が実用 または検討されておりけ-6ﾕｰ7]、このような水中切削技術においては、ガス切断、 酸素アーク切断、アーク切断、プラズマ切断、ビーム切断等の他に、近年、高圧噴 流を用いた水中切削が利用されるに至っている[1-8]。しかしながら、水中において は、高圧噴流のエネルギーは水深の増加とともに急激に減衰し、そのために、高圧 噴流は拡散してしまい対象物へのエネルギー伝達は非常に低下する。このように、 従来の通言の高圧噴流を用いた切削システムにおいては、高効率切削という観点で は、必ずしも満足していないのが現状である。.

２. 1.3.研究目的 本研究においては、前記の研究の背景を踏まえて、より小さな投入エネルギーで 対象物をより深く切削することを吋能とする高効率なジエットカッティングシステ ムを実現することを目的としている。. 1.4.研究方針 前記の高効率なジェットカッティングシステムを実現するために、本研究は高収 斂性および高安定性を備え自由渦傾城の大きな旋回流であるスパイラルジェットを 用いることに大きな特徴かおる。つまり、本研究では、噴流の旋回成分が高効率な 切削に対して重要な因子となることに着目し、その旋回性によって、噴流の高収斂 性および高安定性を実現しようとしている。. 1.4.1.高効率切削に及ぼす噴流の収於￨せと安定性 一般的に噴流の構造は、例えば空気中の高圧水噴流を例にとると、Fig.1.1に示し たように、初期領域、遷移領域、および、主要領域からなる[1-9]。初期領域は、ノ ズル出口の初速度Oo)をそのまま保持するポテンシャルコアを有する領域であり、 遷移領域は、ポテンシャルコアが消失し、噴流の周囲の流体を噴流内に引き込んで、 噴流の勤圧が低下する領域である。この初期領域から遷移領域では、噴流の界面に おいて不安定波が増大し半圃、その結果、ポテンシャルコアが消失する。主要領 域は、噴流と周囲の流体との混合作用が逆行レ軸速度分布の平均化が逆む領域で ある。 この図からわかるように、噴流は初期領域、遷移領域、主要領域とノズル出口か ら遠ざかるほど、噴流界面が不安定となり、噴流の幅が広がっていく。そして、こ の広がった噴流を用いた切削では、切削エネルギーが低賎してしまい、かつ、切川 幅が広く切削深さが浅い切削となる。 以上のことから、高効率に切削を行なうためには、収敵性が高く、界面が安定し ている噴流が適していることがわかる。.

皿. りり. 1.4.2.高効率切削に及ぼす噴流の旋回性 前記の高収敵性および高安定性を備えた噴流だけが、高切削効率を実現するとは 限らない。高効率な切削はフ回流のもつエネルギーが最大限対象物に伝達されるこ とが必要であり、そのエネルギー伝達効奉加大きい噴流ほど切削効率が大きくなる。 Fig.1.2(A)に示したように、一般的に軸速度成分を持った噴流は、対象物に衝突す ると跳ね返り、この跳ね返った噴流とノズルから噴出した噴流とが衝突レ対象物 へのエネルギー伝達効率が非常に低減される。そこで、エネルギー伝達効率を向上 させるためには、この跳ね返り噴流を減少させることが重要であり、本研究におい は、Fig｣｡｡2(B)に例示したように、旋回流を用いることによって、この跳ね返り噴 流をできるだけ減少さ廿、跳ね返った噴流を対象物面上から滑らかに逃加すように している。 一般的な旋回流としては、例えば、Chigicl･､N.A､ら[1-11] がFig.1.3に示したように タンジェンシヤルに速度成分を加える構造をもつノズルに. よって、強制渦領域の大. ぎな旋回流を作り出している。しかしながら、. このような旋回流は強制渦領域が大. ぎく、噴流の収敵性を実現することができず、. したがって、このような旋回流を用. いて切削を阿なっても切削効率は向上しない。. 本研究では、高収斂性、高安定性、および、自由渦領域の大きな旋目性を備えた 噴流を用いることにより、高効率な切削を実現する。. 1.5.本論文の概要 以上の高圧噴流を用いた切削の現状を踏まえ、スパイラルフローを用いたジェッ トカッティングに関する研究がなされた。本論文は、大きく分けて４つの骨子から 構成されている。それらは、１）ノズル形状とノズル内の流れの解明、２）ノズル 形状と噴流構造の解明、３）暗流構造と切削骸炭の解明、および、４）研磨材添加 エアージェットヘのら用である。つまり、１）では、ノズル形状を変えることによ り、自由渦領域の異なる旋回流を得て、旋回流生成のための重要な因子を明らかに した。このことは第３牽と弟４章で述べる。２）では、そのノズル形状から噴出し.

-. ４. た噴流が、収敵性および安定性に関してどのような特徴をもっているのかを明らか にした。このことは第５章∼弟８章で述べる。３）では、その噴流がどのように高 効率切削に寄与するのかを明らかにレこのことは第９章と第１０章で述べる。そ して、これらの基礎研究を踏まえた上で、４）では、この旋回流を研磨材添加エア ージェットに応用することについて述べ、別の側面から、高効率切削の可能性につ いて検討した。このことは第１１章で述べる。 以下に、全１２章からなる本論文の概要を各章ごとに述べる。 第２章は、始めにスパイラルフローに関する既往研究を述べた後、本研究の内の ３つの骨子であるノズル形状とノズル内の流れに関する既往研究、噴流構造に関す る既往研究、切削徴収に関する既往研究について述べたものである。 第３章は、スパイラルジェット・ノズル内の流れに関する基礎実験であり、スパ イラルジェット・ノズル内の旋回速度成分を、半径速度をパラメータとして計測レ 半径速度と初期段階の旋回性の大ぎさについて検討したものである。 第４章は、スパイラルジェット・ノズル内の流れに関する理論解析であり、スパ イラルジェット・ノズル内の初期段階の旋回速度分布を、半径速度をパラメータと して近似的に解析し、その解析結果と、前章の旋回速度分布を計測した実験結果と から、半径速度の旋回速度への影響について定性的な検討を行なったものである。 第５章は、スパイラルジェットの収敵性に関する基礎実験であり、スパイラルジ ェット・ノズルから噴出したスパイラルジェットについて、可視化を行い、さらに、 軸速度分布を計測して、その収診胞について定性的かつ定量的な検討を行なったも のである。 第６章は、スパイラルジェットの収敵性に関して理論解析を行ったものであり、 スパイラルジェットの加圧分布を、ナビエストークス式と連続式とがら近似的に求 め、その解析結果と、前章の可現化の結果および軸速度分布の計測結果とから、噴 流の収敵性について検討したものである。 第７章は、スパイラルジェットの安定性に関する基礎実験であり、スパイラルジ ェット・ノズルから噴出したスパイラルジェットの可現化を行い、さらに、乱流強.

W7rW. ５. 度を 計測レ. その安定性について定性的かつ定量的な検討を行なったものである。. 第８章は、スパイラルジェットの安定性に関して理論解析を行ったものであり、 連続式とナビエストークス式に微小擾乱頂を代入して、噴流界面における微小擾乱 の振幅の犬ぎさを近似的に求め、その解析結果と、前章の可視化結果および舌L流強 度の計測結果から、旅次の安定性について検討したものである。. 第９章は、切削機構に関する基礎実験であり、実際に両噴流を用いて軟質物を空 中および水中で切削し、その切削脂および切削深さを計測レさらに、切削表面に ついて観察し、切削の効率吐および性能について検討したものである。 第１０章は、切削機構に関して理論解析を行ったものであり、軟質物上に作用す る全体の応力分布を、主軸応力分布、旋回速度成分に起因する廿ん断摩擦応力分布、 および、軸速度成分に起因する廿ん斯摩擦応力分布を加えることによって近似的に 求め、その近似解析の結果と、前章の切削の笑談結果とがら、切削の高効率吐につ いて検討したものである。 第１１章は、前章までに詳しく述べたスパイラルジェットの研磨材添加エアージ ェットヘの応用であり、高収斂性および高安定性を備えたスパイラルジェットが、 研磨材を効率よく加速さ廿、高効率切削が実現されたことを述べたものである。 第１２章は、結論であり本研究を総括したものである。 参考文献 １. Ｅ. 1]八尋暉夫，吉田礼節謙治：高悲憤流水を利用した地下工法の研究，鹿島建設 技術研究所年報，vol.23バ33-138(1975) [1-2]大賀光太郎，樋口澄志，佐藤幸次：日本における水噴流併用トンネル掘進機の 開発の歴史と現状，資源・素材学会秋季大会資料Ｗ，札幌(1992) [1-3]村上勝美：バリ取り洗節織の現状について，日本ウォータージェット学会第６ 回研究発表講演集，114-126,(1990) [1-4]小林陵二：ウオータージェット技術開発の現状と将来展望，ターボ機械， vol.17,N0.6,674-680(1989).

-. 皿 一一. -6-. ｢1-5｣西坂剛，米川元. ウォータージエットメス，ウォータージエット，. vol.1，. ］.-. 10,(1984) １. Ｌ. -6]Blanken,D,T.:The. Removal. of St,(,(,1 Stl･udures Marine Equipment. and Ser. vices，j)7･Qc.S岳瓦,t.Jct.C鍵．Ｃ･が．り訂と4￡，1，249-259(1989) け-7]浜崎正信：原子炉の解体，金属，vol.5，28-33(1985) [1-8]小川洋司．住友敬：水中切新技術の研究開発(その１)，ウオータージエット， vol.7，N0.1， 13-43 (19川 [1-9]柳井田勝哉，大橋昭：気中高速水噴流特性に関する研究一霧化液滴領域につい て第２朝−，日本鉱業会誌，vol.93，N0.1073，489-(1977) [1-10]Chaudhary,K.C･ jet. Part. 2.. ，Maxworthy,T.. Experim(mt.s. on. 275-286 (1980). '11]Chigier,N.A･. ，Chervinsky,A.. jet. beha.viour. capmary. before. instability of a liquid. droplet. fornlation，J.Fhj心1. Ｉ. Ｅ. Med.vo1.96.. : Th('nonlinear. :. Exp('1｀imentallnvestigation. of Swirling. Mot.ion in JetJs，7'7'･17･.s ｡ ﾒ1S7ぼ￡，7.ﾒ17ﾘJ/｡歪陥油｡。7?｡71,e， 443-451 (1967). 標題一覧 Fig.1.1 St,rudure. of Jet. Fig.1.2 S゛iilillgEffed. fol｀High P('rformance. Fig.1.3 Swirling Generat(･1･. Cutting. vortex.

皿. l?rallsitional Region l. l. ｜. ｜. ｜. ︲1 ｇ. １１ Ｆ. .I Structure. of Jet. ●. Objective material (A)NormaI. Jet. Objective material (B)SwirI Jet. Fig.l.2 Swirnng. EfTect f1〕r High Perf1)rmance Cutting.

51=r＝゛㎜㎜. 皿. Tangential Air. Axi;11. Air. 犬、. -. Ｆａｎｇｅｒｌｔｌａ↓. Ｓｌｏｔｓ. Fig.1.3 Swirnng. Generator.

７. 第２章. 既往研究. 2.1.概要 この章では、初めに、高効率なンェットカッティングシステムを実現するための 手段として用いたスパイラルジェットについて、その既往研究を基礎研究と応用研 究との２面から述べる。その後、本研究の３つの骨子、すなわち、ノズル形状とノ ズル内の流れに関する既往研究、噴流構造に関する既往研究、および、切削機構に 関する既往研究について述べる。. 2.2.スパイラノしフローに関する既往研究 現在まで、スパイラルフローに関して、多くの研究が成されてきた。そこで、基 礎研究とその工業的な応用研究について几下に述べる。. 2.2.1.スパイラノしフローに関する基礎研究 スパイラルフローは、前章で示したChi雨1･.N.Aらのスワールジェネレータゾ1一 汗から噴出した旋回流とは異なり、初期旋回成分を強制的に加えていない、自由 派領域の大きな旋回流である。そのスパイラルフローを生成するためのスパイラル ジェット・ノズル[2頌は、F聡2ぷこ例示したように、環状スリットに漸縮小菅を接 続したものである。圧縮空気はノズルの空気供給口からバッフア領域に入り、その 後、環状スリットを通じてノズル内へ流れ込む。そして、この環状ジェットはコア ンダ効果によってノズルの内壁に沿っで府出目へ流れ出す。環状スリットは均一に 作成されたものであり、接線方向に剪断応力を強制的に与える要素はない。 Horiiらはスパイラルフローの旋回性を明らかにするため、上述のスパイラルジ ェット・ノズルを用いて、スパイラルフローを発生さ廿、菅路内でセラミックボー ルの旋回を観察している[2ダ。その結果、スパイラルフローは旋回流であることを.

皿. ８. 明らかにした。 程らはこのスパイラルノズル内の流れの軸方向の変化について、レーザー流速射 を用いて計測しており匿3｣、その速度分布からスパイラルフローは自由渦領域の大 きい旋回流であると結論づけている。. 2.2.2.スパイラノしフローに関する応用研究 現在まで、スパイラルフローは、連綿工事や短繊維の輸送等に用いられている。 堀井らは、スパイラルフローを言路内通綿工事におけるフアイバー等の通紬手段と して用い、その結果、四壁とフアイバーとの摩擦の低減、および、長距離連線を可 能とした[2-4､2一礼また浜川ら即6]にに連綿ケーブル布設の言路内において、スパ イラルフローをその滞留水の水技ぎ手段として用い、完全な水技きに成功している。 さらに、Horiiらは、軸速度分布が急峻であるスパイラルフローを用いて、短繊 維を一定方向に配向させて輸送することにより、より強度の優れた複合材料の製造 が可能であることを示唆している≫7ふ8]。さらに、Horii[2-9]らは、スパイラルフ ローを用いて、短繊維を均一にコーティングし、頬繊維のカプセル化を行ない、新 しい複合材料を製造した。このように現在まで、スパイラルフローは、輸送手段と して用いられてきた。. 2.3.ノズル形状とノズル内の流れに関する既往研究 スパイラルジェット・ノズルに限ると、ノズル内の流れに関する研究は程らの研 究を除いてはない。程らはこのスパイラルノズル内の流れの軸方向の変化について レーザー流通計を用いて計測しており｢2-3｣、その速度分布からスパイラルフローは 自由渦領域の大きい旋回流であると結諭づけている。しかしながら、旋回流の生成 に関して重要な因子である半径速度に関しては、その実験的な検討がなされておら ず、さらに、その解析的な考察は十分なされていない。 一方、高圧噴流を生成させるための通常ノズル内の流れに関する研究は、現在ま で、ほとんど成さ札ていないのが現状である。しかしながら、Leachら[2-10]は通.

り. 常ノズルの縮小菅の絞り角度と、縮小菅の先に接続された直管の長さおよび径を変 化させて、通常ノズルから噴出した水噴流の距離に対する動圧の変化を淋｣定し、そ の結果、縮小菅の絞り角度が13°、直答の長さと径の比が2.5∼3.0の場合が、距離 に対する勤圧の変化が非常に小さいとの結論を得ている。. 2.4.噴流構造に関する既往研究. 2.4.1.高効率切削を実現するための水噴流に関する既往研究. 現在まで、高効率な切削を実現するための水噴流について、実験的な研究が数多 く. 行なわれている。その高効率な切削を目的とした水噴流は、幾世橋によると大き く. 分けて７種類に分類され今川、それらは、異種溶液添加水噴流(Additive Jet; ADWJ)、研磨材添加水噴流(Abnsive. WMer. Jet; ABWJ)、空洞現象促進水噴. 流(Cavitating Water Jet; CAWJ)、非定常水暗流(Unsteady 動水噴流(Pulse. Water. Jet; PUWJ)、気筒披覆水噴流(Air. ACWJ)、および、回転水噴流または振引水噴流(Roating 1ating WMer. Water. Water Jet; USWJ)、脈 Coated. Water. Water Jet; ROWJ、. Jet; 0s山一. J㈲OSWJ)である。. 異種溶液添加水噴流(ADWJ)は、高分子水溶液が噴流内の摩擦抵抗を減少させる こと[2-12]を利用して、噴流の発散と噴流界面の乱れを防止した噴流である。例え ば、Franz[2-13]は、PEO(Poly ＸＸへ. ノレ. Ethylene Oxide)を水に添加した水暗流を用いて、ア. ニウムの切削実験を阿なっている。さらに、Kobayashiら[2-14]は、この高分子. 水溶液の水噴流を用いて、その濃度と切削傾溝について詳しく検討している。 研磨材添加水噴流(ABWJ)は、噴流内にアルミナやガーネット等の研磨材を混入 させ、その加速した研磨材の衝突エネルギーを利用して切削するものである。この ABWJは、Bartonら[2一則が初めて阿なって以来現在まで多くの研究がなされてお り. 研磨材の開発や混合法の開発などの実験的研究が数多く発表されている。この ABWJは、現在、建設業などで建築物の解体やトンネルの掘削に実用化されている。.

１０. 気圏被覆水暗流(ACWJ)は、圧縮空気を水噴流の噴射口の周囲より噴出さ廿、水 噴流を気圏により被覆レ界面の安定性、および、収斂度を増加させた噴流である。 例えば、H訂erkamPら≫川は水中での切削を前提としてABWJとこの方法を併用 し、気圏被覆が有効であることを述べている。 空洞現象促進水噴流(CAWJ)はＵ縦体暗流が対象物に衝突するとき、局部的に圧 力が低下し、暗沢内に局所的に球形の蒸気圧が形成され、この気泡が消失する際の 大きな衝撃圧を用いて、効率よく切削するものである。Yanaidaら[2-17]は、ホー ン形のキャビテーションジェットノズルを開発し、vi鋤yら[2-18]は、素子形キャビ テーションジェットノズルを開発し、それぞれ、キャビテーションを利用して、高 効率な切削をf￣ﾆ?なっている。 非宅常水噴流(USWJ)は、噴流を水滴にして、噴出周波数を比較的高くして、切 削を行なうものである。例えば、Puchalaら浙19]は、超音波を利用して水噴流に圧 力波を加え、噴流を水滴にしたノズルを開発している。 脈動水噴流(PUWJ)は、放出周波数が比較的低い脈動流を用いて、切削するもの である。例えば、Paterら[2-20]は、ノズル内の噴流に対して直角に往復するピスト ンを用いて、瞬間的に水柱を噴出して切削を行たっている。 回軟水噴流(ROWJ)および振動水噴流(OSWJ)は、ノズルを回転または振動させ ることにより、噴流に軸方向だけでなく、旋回または半径方向の速度成分を与え、 対象面において、跳ね返り噴流を滑らかに放射状に逃がしている。例えば、 Erdmanら[2-21]は、通常暗流をノズルの移動方向または移動方向に直交する方向に 振動させることにより、切削効率が向上することを述べている。 以上述べたように、ＡＤＷＪ、ＡＢＷ､Ｊ、および、ACWJは、噴流本来の流れを制御 しようとするものではなく、その噴流に対して外的な要因を用いて、切削効率を向 上させるものである。したがって、CAWJ、PUWJ、ROWJおよびOSWJのよう に、噴流そのものを制御して切削効率を向上させるものと併用して利用することが 可能である。.

皿. １ １. 本研究における切削効率向上のためのアプローチににこのように噴流そのものを 制御して切削効率を向上させるものであ（. ADWJ、ABWJ、および、ACWJと. は、本質的に異なるものである。また、CAW､1はキャビテーションの衝撃圧を用い ているので、本研究の流体力を用いる切削とは異なる。さらに、ＰＵＷＪ、ＲＯＷＪお よびOSWJのように、周期的に噴流を噴出すること、または、回転や振動により、 対象面において跳ね返り噴流を滑らかに放射状に逃がすことは、前記開発方針で述 べた通り、本研究の草本コンセプトとなっているが、その手段として、本研究では、 自由渦領域の大きい旋回流を用いており、これらの従来の方法で用いられている噴 流とはまったく異なる。以上のことから、本研究の旋回流を用いた切削は、従来ま でまったく存在せず、この分類にはどれにもあてはまらない、まったく新しい切削 方法であると言える。. 2.4.2.噴流の収敵性に関する既往研究 従来まで、通常の噴流に対して、その噴流の拡散を抑えるために、ノズル内に整 流器を設ける手段が一般的に用いられてきた。菊池ら[2-22]は、整流器をノズル内 に設けて、暗流を制陶｣してその軸方向の安定性を増加さ廿、噴流の拡散をシミュレ ーションしている。しかしながら、このような整流器を用いる方法は平均軸速度を 最大限に持たせるものであり、本研究のように噴流の広がりを旋回成分を自生させ て防止しようとするものとは根本的に異なる。. 2.4､3.噴流の安定性に関する既往研究 現在まで噴流界面の安定性に関する研究には、多くのものがある。例えば、 Weihsら[2-23]は、気流中の液休暇流における界面の変動を観察している。しかしな がら、この研究においは、界面の変動のメカニズムを明らかにすることを主目的と しており、その界面の変動を抑制するための研究とは異なる。 一方、円形自由噴流の安定性に関する解析的な研究には多くものがあり、例えば G.K.Bachdorら≫24]の軸対称噴流の安定性解析、新井ら[2-25]の円筒状噴流界面の.

-. 士. り乙. ら旋不安定変動に関する研究、さらに、Y.T.Fungr2-26]の半径方向に対して密度不 均一な噴流の安定性解析等がある。 しかしながら、上述の安定性に関する解析的な研究では、対象となる噴流の軸速 度分布は、半径バこ関して士次式による近似式、または、同様の近似式からなり、こ のような従来の解析を、スパイラルジェット等のように軸速度分布に大きな特徴の ある噴流に応用して、安定性に関して議論することはできない。. 2.5.切削機構に関する既往研究 切削の基本的な原理としては、従来から、噴流が固体材料に衝突レその噴流が せき止められるとぎに生じる廿色止め圧（噴流の勤圧に相当）が、その材料の強さ （降伏応力など）よりも大きければ、材料は破壊されると考えられている。一方、 金属材料等の硬い材料の場合、水暗流の廿ぎ止め圧が材料の降伏応力以下であって も材料は破壊される。この場合の切削の基本的な原理としては、水噴流から形成さ れた液塊や油滴が材料に衝突するときに発生する衝撃力が材料の降伏応力を上回る からであると推察されている。 現在まで、通常の噴流を材料に衝突さ廿た時、その材料表面における圧力分布に. ついては、Pritchdtら[2-27]が、解析的に計算しており、実験結果とかなり精度よ い一致を見せている。またさらに、D4nidら≫28｣は、材料表面における圧力分布 を光学的な手法を用いて観察している。しかしながら，これらの研究において観察 されたものは，通常噴流を用いた場合の材料表面の圧力分布であり，旋回成分など が存在する噴流を用いた場合の材料表面における圧力分布に関する研究については， 現在まで存在しない。 参考文献 [2-1]Horii,K･,:US.PAT.. N0.4,72L126,UK.PAT.. N0.2,180,957，(1988)･. [2-2]Horii,K.，Murata,T.，Takal･ada,M.，Mal･ui,T,:A −Phenomenon. Study of Spiral Flow (Part 1). ill a Cylilldl･icalPipe − TT(msactio,1s of仇eJ司)(m. 石r匹皿,政a,nl,?2,LS郊,ce弘前?,叫vol.28.N0.81， 123-131 (1985)｡. Societ!jfo?.

皿. 1j. 12-3]程暁明，松前祐司，橋本文昨，鹿毛聡，大隅角冶，堀井清之：石油化学工業パ イプライン修理に用いる通綻ノズル内の流れ，石油学会誌，vol.35，N0.5，382389(1992) [2-4]Horii,K.:. Using. Spiral Flow. ｊＳＭ尽vol.112，N0.8.. f()r optica1. 68-69 (1990). [2-5]Horii,K･，MatsumaeでY･，()hsumi.K･. Novel. optical. Col｀d Passing， Meda7山al石?lが71c･溺叩−. C111eng,X.M･，Kage,S･，Hashimoto,B.:. Fibel｀lnstahtinn. by use. of SI)hl. AiTnow，J.Fluid8. En面1ee?伍!1. 7rauJSが石,vo口14，375-378(1992) [2-6]浜出俊晴，霜幸雄，大隅角治，松前祐司，堀井清之：通線ケーブル布設のため の管路内滞留水のスパイラル流による除去，第41回応用力学連合会講演予稿集 ，467-468(1991) [2-7]Horii,K･，Matsumae,Y･， Spiral. Flow. 7'ra?zs.. Cheng,X.M･，. (Pallt. 3)01)enillg. J卯Q7･. SEI. and. Takei,M･，. Hashimoto,B.:. OIlient.atjion Control. ｢1/か7｀ﾒ1ぴ･四四治濯ald. of Fiber. S邱cにS＆?71,ca，. A. St,udy. of. by Spiral Flow，. vol.32，N0.98，155-. 164(1990) [2-8]Matsumae,Y･，Cheng,X.M･，Takei,M･， sportatJion. using. Horii,K.:. A. Study. of Short. a, Spil･al Flow，Thco,ヽel,ica,land AI)plied Meclmics，. Fiber. Tran-. vol.37， 73-79. (1989) り乙・. Ｌ. -9]Horii,K･，Sawazaki,H･，MatsumRe,Y‥ Hashimoto,B.: Subn!icron. Nclv. Powder. Continnolls using. Cheng,X.M･，Takei,M. ･，Yasukawa,E･ ，. Syst,em for Dispersion and Encapsulation. Spiral. Flow，佃治山.j7)pli.FI. ｢j. of. Mec/1,.yL94rlZり，. vol.100， 25-30 (1990) [2-10]S.J.Leach，G,L.VValkel･: Some Jets，？/. Asped,s of Rock. Cuttillg by High. Speed Water. ｢.7'?･a71,s.乖vol,260295-308. [2-n]幾世橋広：ウォータージェット利用技術と最近の開発動向，日本機械学会誌， vol.90,N0.829ス487-1494(1987).

一. −. ←. 4-. [2-12ﾄﾞI.W.Hoyt,:The. Efh:t,of. Additives on. Fluid Fridion， J.召aj仙?￡明明･，77'･17M.. jSμ尽vol.94，258-285(1972) [2-131Franz,N.C.:The Jet. lntel･actjollof F111id Additives and Standoff Dist,ance in nuid. CuUing，？?｀θc，. j?7･j. 7‘此. 痢/7'叩･. Jet. C鍵ｔｋｇ. ＴｅｄｍｏＬ，ＢＨＲＡ，A5，. 67-75. (1976) ︱ [2-. 4]R.Kobayashi， T.Arai: cess. ofMetallic. Local St.nld.ure ofVVatjer Jet and Related E1･osion Pro-. Materials， 乃‘回，脚/j. 7'辻励m･p.. on Jet Cutting. Tech.η,o萌7y，155-. 167，Sendai(1988) [2-15]Barton,R｡E.P･，Saunders,D･.:VVat.e1･/Abrasive Reinforced. Concret泥.PIヽoc.6伍I･n.t.. Jet. Sym4).Jet. Cutting. Cutting. of Concreat,e. and. T色eh.72.1.，jj7jむ1，K4，. 489-501(1982) [2-16]Haferkamp,H.，Louis.H.，Mciel･,G.:Deep-Sea Jet. Feasibilities and. j?｣ＨＲＧ． E3. 513-523. Limit･atiolls.. PIIoc.10th. kt.. of Abrasive. SIJmp.Jet. VVat,er. Cutti71.a Tecjmol‥. (1990)，. [2-17]K.Yana.ida，M,Nakaya.ma， n!ance. Application. M.Eda，Nishida.N.:VVater. of Submel｀ged. Horn. Shaped. Jet. Nozzle，？?･∂c，jgrd. Cavitation. 17.＆. Perfor-. IFa,秘r Jd. CQ7が.，. 336-349(1985) [2-18]vijay.M.M･， VVater. Jds. Zou.C･， Tavoularisβ.:Stjudy by. Teclmo1.，BHRG. Pllotography. and. EIlosion，？rQc.10th. ht.. of Cavitating. SI問,p.. Jd. ａぷ泌17. 37-67 (1990). [2-19]Puchala,R.j.，vijay,M.M.,:St,11dy orlnterrupted. of the Characteristjics. J(ちJP?･ac.. ofa,n. Ultrasollically. 7th，I･n.1.励?叩.J. Generated. Cavitating. ｢C?￡哨卯7'e＆j77.ｏＬ，ＢＨＲＡ， B2. 69-. (1984) [2-20]Patjer.L.L: 励即･7J.Jd. Experiment.s c?山17り71cc/17?,. wit.h a Cumulation. and. C11ttng. Jet Device.P¶･oc.7th. l71t.. ｢.，j＃j?/1， B3 83- (1984). [2-21]Erdnlan,F.，Hassan,A,M.，Louis,H.，A Cleaning. Pulsed. Emciency. st,udy of t,he oscillat,ions Effeds of High. Speed. Water. J(ホ？7'oc.. on. the. 治り瓦1.狗ﾉmp..

-. 15-. Jet Cutti,l,9TechlM)l.，BIIRA. C3. 27-47 (19川 [2-22]菊池芳正，木下猷次郎，国重義文ﾉ｣哨戸博：大気中に噴出する高速水噴流 の幅の数値計算による予測，ウォータージエット，vo1.8，N0.4，1-9(1991) [2-23]Weihs,D.，Frankel l.:E(1uilibl･ium shape and stability of a liquid cylinder in cross. nowatJow. 1Veber numbers。/｡月｡. [2-24]G.K.Batdlclor，A.E 月7z㎡jを油.vol.14，5. .Gill:. ｢訂,?油｡，vol.116， 393-409(1982). Analysis of t,he stabmty. of axisymmetric. .ids，J.. 29-551（1962）. [2-25]新井隆景，橋本弘之：並行気流中における円筒状液体噴流界面のら旋不安定 変動、ロ本機械学会鴎文集（Ｂ編）vol.51､N0.465 ロ本啜械学会陥文狽（Ｂ編）vol.51,N0.465,1624-1630（1985） [2-26]Y.T. Fung:. Unstable. Waves. of. Jet. Flow. with. Density. lnhomogeneity，. TI･(ms.ASME.Joll,rllal of Fhl.tdE71,9meerm9，vol,111，238-242(1989) [2-27]J.XV.Pritd!et,t，T.D.Riney: Analysis of Dynamic. Stress lmposed. on Rocks by. VVaterJet Tmpact,，？7･,)c.2?2,d Jet C･11t. Tech.B2， 15-36 (1974) [2-28]I.M.Daniel，R.E.Rowlands，T.J.Labus:. Photoelastic. lmpact，？7'ac. ｡7d凸,.t.Teck.Ａ１， 2??j １-１８ (１９７４) Ｓ日 一と 標題−。. Fig.2.1. SpiraIJet Nozzle. Study. of. VVater. Jet.

皿. Ｐ. ←. ressurized Air. Almular Slit/. →. lntake. Suction. Flow. →. Port. → Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ａｉｒ. Fig.2.1 Spira1 Jet Nozzle.

-．. スパイラノしジェット・ノズル内の流れに関する基礎実験[3川. 3.1.概要 この章では、スパイラルジェット・ノズル内の流れに関する基礎実験に関して述 べる。具体的には、スパイラルジェット・ノズルから噴出したスパイラルジェット は、半径速度の大ぎさによりその暗流構造が異なり、半径速度が旋回速度の人きさ を決定するのに重要な因子となることを実験的に明らかにする。つまり、スパイラ ルジェット・ノズル内における初期段階の旋回速度分布を、半径速度をパラメータ としてレーザー流通計を用いて計測し、その実験結果から、半径速度の旋回速度へ の影響について定性的な検討を阿なう。. 3.2.スパイラノしジェット・ノズル内の旋回速度の計測 スパイラルジェット・ノズル内の流れについて半径速度をパラメータとして旋回 速度を実際に計測レ半径速度の大きさと初期段階の旋回性との関係について検討 した。従来まで、スパイラルジェット・ノズル内の流れの計測は、程[3-2]が行たっ ているが、この研究においは、旋回流の軸方向の変化のみに着目しており、本研究 のように旋回流の半径速度による影響について述べたものではない。. 3.2.1.実験装置. ッサーから圧縮空気をスパイラルジェット・ノズルに供給レレザードづプラー流 速計（He､Ne 10mW. KANOMAX特製）と水粒子を用いて、スパイラルジェット・. ノズル内の旋回速度を計測した。プローブはノズルの吸引口側に設置レ一方、受 光器は前方所足型を用い、ノズルの噴出日田に設置しか。このプローブおよび受光 器はスパイラルジェット・ノズルから十分に離れており、ノズル内の流れを乱すこ. Ｇ︶. １. 第３章.

-. １７. とはない。水粒子は超音波加冷4器から発生さ廿、その水粒子の粒径は約4のnであ り. ノズルの吸引ロから吸引させた。. F汝｡3.1(B)はノズル後方から見た装置の写真. である。 スパイラルジェット・ノズル匪3皿、竹沢の主軸に対して平行に圧縮流体を供給 する従来の通常のジェットノズルとはまったく異なる構造を持つ。つまり、Fig.3.2 に例示したように、スパイラルジェット・ノズルは、環状スリットに漸縮小菅を接 に例示したように、スパイラルジェット・ノズルは、環状スリットに漸縮小菅を接 続したものであり、この環状スリットから圧縮流体を噴出させる。圧縮流体の供給 続したものであり、この環状スリットから圧縮流体を噴出させる。圧縮流体の供給 口と環状スリットとの間にはバッフア領域があり、圧縮流体は環状スリットから噴 口と環状スリットとの間にはバッフア領域があり、圧縮流体は環状スリットから噴. 出する前にこのバッフア領域に蓄えられる。環状スリットから噴出した環状噴流は、 噴出口に向かって流れ、吸引口付近ににに鋲圧域が生じ、周囲の空気を吸引する。 実験に用いたスパイラルジェット・ノズルは、吸引ロの半径馬が20mm、噴出口の ト. 紅絹から噴出目先端までの長さが85mm、戻壮ス. ッ. リ. 目. ︲1ラ. −. 半径が10mm、吸. 幅が. 0.2mmであった。. このスパイラルジェット リ. １ 環. り. 犬ス. ノズルは、働縮小菅の絞り角度βを変化させることによ. クトから軸中心に向かって喧出した環歌沢の半径速度の大きさを変化. させることができ、その結果、噴出口から噴出したスパイラル・ジェットの速度分 布が、大きく異なる。もちろん、半径速度の大きさについての影響を調べるだけの 目的であるならば、絞り角度βを90°で一定として、流量を調整すれば良いが、本 研究においては、スパイラルジェット・ノズルを高効率なジェットカッテイング技 術に応用することを考慮して、役人エネルギー（投入流量）を一定とし、絞り角度 βが90°、45°および30°のスパイラルンェット・ノズルを用いて、半径速度の旋回 速度への影響について検討する。.

-. １８. 3.2.2.実験条件 絞り角度βを、9oy45゜および3o゜の３種類のノズルを用いることによって、半 径速度を変化させた。前記F首3.2からわかるように、90°のノズルを用いた場合の 環状スリット噴出特の半径速度を几､ふとすると、. 45°のノズルの半径速度は. 戮ぶ/石￣、3o°のノズルの半径速度は仏白/2となる。ノズルに供給する圧縮空気の 流量を2.0×10-3mﾔs、圧力を4.3×105Pa(4.4kμ/cm2)とし、噴出口から10mmの地 点において、レーザー流速計を用いて軸速度を計測した結果、最大輔速度は 38.7m/sであった。したがって、この最大縦穴速から求めたレイノルズ数は 2.56×105である。またさらに、圧縮空気の流肌(2.0×10￣3m3/s)を環状スリット幅面 積(2.51×10￣5m2)で除して、半径速度柘ぶを求めると79.68(m/sけなる。 以上の条件のもとで、初めに絞り角度βが90°のスパイラルジェット・ノズルを 用い、ノズル内の環状スリットからの軸方向の距離岡が、１０ｍｍ(Ａ)、２５ｍｍ(Ｂ)、 ４０ｍｍ(Ｃ)、６０ｍｍ(Ｄ)、および、７５ｍｍ(Ｅ)の5地点において、軸中心を通り半径方向 に１ｍｍ間隔でレーザー流速計のプローブをトラバースし、各点において500個の水 粒子の速度を計測レその頻度分布の平均値を平均流速として求めた。その後、旋 回速度成分の生成する箇所を特定し、その点付近において、絞り角度βの異なる３ つのノズルを用いて、同様に旋回速度を測定した。. 3.2.3.実験結果 絞り角度βが90°のノズルを用いた場合の旋回速度の主軸方向の変化は、Fig.3.3 に示した通りであった。この図において、横幅の半径八八吸引口の半径凡て除し て無次元化しており 万. ＝. ｎｎ一. 0,6までしか測定していない。このFig,3.3からわかるように，Ａ地点(z＝10. )において、殼大厄が3.1m/sの弱い旋回速度を持った初期段階の旋回流が発生し. ている。さらに、この初期段階の旋回流は、軸中心側では強制渦の分布を示し、ノ ズル壁側では自由渦の分布を示す。このＡ地点の後、Ｂ､Ｃ､Ｄ、および、E地点と噴 出口に近づくにつれて、その旋回速度の短大浜が、4.2、5.0、6.3、および、6.9m/s. ︱﹂レ酬レ尚. nlrn. ノズルの壁面付近はレーザーの交差点が届かないために.

-. 珀. と増加する。このことは、強制的に初期炭団速度を与えていないにもかかわらず、 初期旋回流がA地点以前で発生し、この初川淀回流が潮縮小効果によって、増長し たものと考えられる。 さらにこのＡ地点において、絞り角度βを変化させたノズルを用いて、初期段階 の旋回速度を回収に計測した。その結果は、Fig.3､4に示した通りであり、縦軸は絞 り角度βが90゜の場合の旋回速度の最大防州｡。で無次元化してある。絞り角度βが 90°の場合の旋回速度の最大浜は3､1m/sであり、この値を基準とすると、絞り角度 βが30°の場合、無次元化した炭回速度の最大値は0.64であり、絞り角度βが45°の 場合、無次元化しか旋回速度の最大値は0.55であった。この図に示すように、絞り 角度βが大きいほど、つまり、半径速度の絶対値が大きいほど、旋回速度が大きく なることを示す。そして、軸中心側では旋回は強制渦の分布を示し、ノズル壁側で は旋回は自由渦の分布を示す。. 3.3.旋回速度分布とレイノノしズ応力分布との比較 前述のスパイラルジェット・ノズル内の旋回速度の計測結果から、半径速度の存 在により自由渦領域の大きな旋回流が発生し、その旋回速度の大きさば、半径速度 の絶対値が大きいほど大きいことが示された。その初期旋回流の発生、および、初 期段階の旋回流の大きさは、環状スリットから噴出した環壮流のレイノルズ応力に 依存し、そのレイノルズ応力は半径方向と旋回方向の乱れの大ぎさで表わせられる。 そこで、旋回方向と半径方向の舌L流強度を測定し、それらの匝からレイノルズ応力 の分布を求め、初期段階の旋回流における旋回速度の大ぎさについて実験的な考察 を行なった。. 3.3.1.旋回方向と半径方向の乱流強度 旋回方向と半径方向の乱流強度は、前記実験と同様の方法により、水粒子の速度 を計測し、その頻度分布から俳られる標準偏差から求めた。測定点は初期段階の旋 回流の生成が確認されたA址点け=10mm)とし３つの絞り角度βが異なるノズルを.

威._. ｊ Ｃ り一. 用いて、半径速度を変化させた。 Fig.3.5はその旋回方向の乱流強度を求めた結果であり、統軸は絞り角度βが90° の場合の噴出特の半径速度柏市を用いて、無次元化してある。この図に示す通り、 絞り角度βが9oy45y3o°の順に、旋回方向の舌L流強度が小さくなることがわかる。 そして、約づ柘=0､1付近にその最大値があり、輪中心付近が大きく、輪中心から遠 ざかるにつれてその値は小さくなる。 同様に、半径方向の乱流強度を測定した結果はFig.3.6に示した通りであり、この 図において総統輪は絞り角度βが90°の場合の噴出特の半径速度柏､ふを用いて、 無次元化してある。この図に示す通り、絞り角度βが9oy45y3o°の順に、半径方 向の乱流強度が小さくなることがわかる。そして、半径方向の乱流強度は、旋回方 向の乱流強度とは逆で、輪中心付近が小さく、輪中心から遠ざかるにつれて大きく なる。. 3.3.2.ノズル内のレイノノレズ応力分布の算出 一般的に、叱爾こ関するレイノルズ応力一回不二は. 定信頼対柿沢を仮定した. Boussinesqの近似式を用いて、. ﾉ▽ノナノ. (3雨. のように表わすことができる。この式から、レイノルズ応力の絶対値が大きいほど 旋回速度の絶対泣か人ぎくなることが定性的にわかる。 _1_￡. 目￨」. 記Fig.3.5とFig.3.6より、、･とθに関するレイノルズ応力の分布を求め、初期段階. での旋回流の旋回速度の人きさについて考察した。同じ半径の位置について、前記. Fig.3.5のV石弓/7Jぷと、前記Fig､3.6のV石うりμを掛け合わせると、りjで無 り あ. 次元化したレイノルズ応カバT:万万T//づ附加求まる。その結果は、Fig.3.7の通りで. 絞り角度βが9oy45y3o°の順に、レイノルズ応力の値が小さくなることが わかる。そして、軸中心からづ凡=0.3付近まで、レイノルズ応力の犬きさは、増加.

威._. り‘. のFig.3.7の結果てある絞り角度回とレイノルズ応力の大きさとの関係は、前記計測 結果と近似的に一致するものである。圭ださらに、Fig.3.7において、軸中心から づ凡＝0.3付近まで、レイノルズ応力の大きさが増加したことは、この領域において 旋回流が強制派領域であることを示しまたさらに、づ馬＝0.3付近からづ凡＝0.6 まで、レイノルズ応力の頃がにに卜一定、圭だけ、多少減少の傾向にあることは、こ の領域において、旋回流が自由派領域であることを示している。このような、強制 渦および自由派の分布は、実験結果と定性的に一一致するものである。. 3.4.まとめ 環状スリットに漸綿小菅を接続した構造を持つスパイラル・ジェットノズル内に おいて、半径速度をパラメータとして、初期段階の旋回流の旋回速度分布を実験的 に求めた。その結果、半径速度の絶対泣か増加するにしたがって旋回速度も増加し その分布は軸中心側では強制裁の分布を示し、ノズル壁側では自由渦の分布を示し た。 さらに、この半径速度の旋回速度への影響をレイノルズ応力の値を実験的に求め ることによって考察した。つまり、几/とぐに関するレイノルズ応力を、旋回方向 と半経方向の乱流強度の測定結果から求めたところ、半径速度の絶対値が大きいほ ど、その値が人吉かっか。このことは、半径速度の絶対値が大きいほど、旋回流の 生成に寄与するレイノルズ応力の大吉さが大吉く、その結果、初期段階の旋回流の 大吉さが大吉くなったことを示す。またさらに、このレイノルズ応力の分布は、軸 中心からノズル頃に向かって、一度増加し、その後、ぼぼ一定または多少減少の傾 向を示す。このことは、旋回速度分布が軸中心側で強制渦の分布を示し、ノズル壁 側で自由裁の分布を示した計測結果を定性的に裏付けるものである。 参考文献 [3-1]武居昌宏、堀井清之、片岡勲、橋本文昨：スパイラルジェット・ノズル内の流 れに関する研究一半径速度の旋回速度への影響−、資源と素材(資源・素材学. ←. の傾向にあり、その後、づ蕉＝0.Gまで、ぱぼレ莞または多少減少の傾向がある。こ.

-_. −−. -2. 会誌)(投稿中) [3-21程暁明，松前祐司，橋本文昨，鹿毛聡，大隅角洽，堀井清之：石油化学工業パ イプライン修理に用いる通綻ノズル内の流れ，石油学会誌，vol.35，N0.5，382389(1992) E3-3]Horii,K･， US.PAT.. N0.4,721,126，UK.PAT.. N0.2,180,957.(1988). 標題一覧 Fig.3･1Experimentjal Eqllipmc址 Fig.3.2 Spira.1｡1d Nozzle Fig.3.3 AxiaI De拓rm;1tion of Azimnth;d velodty Dist･ribution Fig.3.4 AzimuthaI velocity Distl｀i1)ut･･ion f()1‘ val｀ious Radial velocky (Expel｀inH"11t.aI vahle) Fig.3.5 Azimuthal Turbul(mce L('vel Fig.3.6 Radial Turbulence Lev('1 Fig.3.7 R･eynolds StllessDistribution. ‘). Ｊ.

−. −−一一. 目llljlll，. 1.;I,,。l･ ￨･IIIliltl,I. ド. 【. ＩＳＳ’ＩＩ aa ︲︲II ｌｊｉ︱︱Ｉ. W削｡￨･P;ll･l.i,･l,･s. MI･slll'1･1111!lll ll,lil，￨，. ノ ／／︱’ｙ. 一１ １ １ Ｓ. 万一. 「. ,･;,１．ｈ,１，Ｎｎｚｙｈ. ＼. ∧ ∩. ∩. にllH11j'￨'SSlll' ｜. ￨,;ｌｓｅｒｎｃｃ{心｡l･. レ. ュ□. （I,jll甲111，!1･. (A). Ｐｒｏｂｅ. (B). FiM.3.1 Experimental. Equipment.

−−-. ｔ＿_. lntake. Flow. Amlulal･Slit. Cone. Λngle Pressurized こ Air. Ｐ ｒｅｓｓｌ】ｒｌｚＣ(．. Air Supply B. Port. ｢Tered. Ｃ(ｍｃ. （. Area. l咀1e. づ?. 焉沁/2 ← １１ ７. ｒ﹁. ＩＩ７. ？. 剔服s 回 ＝りＯ°. 馬･7石. β. 一 一. 15°. β＝30°. Fig.3･2 Spira1 Jet Nozzle.

一. i. Λ. (2−251nm) (2一一11111111･l (z−60mnl). 日. 〔2−75mm〕. −. ６. ぐドレ 一 一ノ. ご. ０ ,. ●一 回. 芯. 5.0 ;ﾝ･. F一一一 S∃ 4 .【】 − ち. 日. 昶. 2.0. ゜. 1 ヽ. ∧. 1.0. ０. 0.3. 0.2. 0.1. 0.{l. 0.6. 0.5. ／∼ ｒ. Radius. ig･3.3 AxiaI Deformation. ４. ノ石. ゜;ﾐ. 一. ︲ｔ・−−−﹁・. 3.0. -. Ｊ１＼ｙ循. ｙ− 。 −’ １ｙ ﹂ Ｊ ▲ペ 二０１ レｃ’ 一 ● ノｏ／ｉ ／ｊ／む●一 しぅ’ｉ−・ノーブル. 7.0 ？. Ｆ. (z＝ICm11･). □ＣＤＥ. Ｃ▲■Ｏ. a.0. 一 七. _. _＿‥_. 9.0. 0.7. ﾑ≒. of Azimuthal. velocity Distribution. り. りJ. ｌ −. I･1,.. 1.0. .犬卜')ぐ．. 0.8. ｔＦｏ[ａＡ. ノ. ソ. ● /. 0,6. 一一●x■. 雫. ｌｕＤｍＵ!ｚｖ. ﾉﾃﾞ｡す:ザこi〉? 0.4. ／ご ≒″ぃ 二;ﾉ ; ●c回か1巾9o°ﾄﾞ▲｀ / /. 0.2. ￨ﾑX’ / l. ■Colle. A1191e 45°. ACone Angle l l l. 30°. 0.0. 0.0. 0.1. 0.2. 0.3. Radius Ｆ. ig.3.4 AzimuthaI. 0.4. 0.5. 0,6. 7ｿ罵. velocity Distribution n〕rvarious RadiaI velocity. (ExperimentaI value).

7−･㎜−. 嘸 、. ’W･●-. ゾ川 1.2. ●｀●｀●､● ●一●ダ. 1.0. ■￣■ﾀﾞ●￣｀■｀■､■｀●｀●｜. じ］. ↑４↑ヤペ:･::1 ｔ”“”’１ｄＪｕｑｕｔＦＩ％Ｌ. .. 0.8. ｀^≒･こ;:･､↓ ｀･:?､・. 0.6. ￣、▲. ｔｇｎｍ!ｚｖ. :二二1 0.4. − ▲Cone ｜ ｜. Λ1191e ｜. 0.2. 0.3. 30°. 0.2. 0,0. 0.1. 0.0. ７. ／／−. Radius. Fig.3.5 Azimuthal. 0.4. 0.5. 0.6. 7ら. TI】rbulenceLeve1. ３. ×川. こ匹クこ. 3.0. け. ｜ ●一● ●゛ ●／. にべｆ. 1aat16‘u1“1“qJ F1 !1 PJ uL 11. ■ Ｊ●￣●￣●／ 2.0. y. y;. s’ .●-･゛■￣■゛I’ .A4 ヤ. ,l ● lj:: 1.0. ■゛■ﾀﾞ. ．-●. 一･ヤヤ. ▲..A. ｜. １. ｜. ｜. ●COIle. Angle. ■Cone. {},0. 0.1. 0.2. 0.3. 0.4. 0.5. ？ ７. ／／︱ ｒ. Radhls. Fig.3.6 Radial. 45°. ▲Cone Allgle 30° l l. j. 0.0. Angle. 90°. Turbulence. ljeve1. 0.6.

"㎜●㎜･．. ｔ． ’W･･-. ベリ. ９１. ● ／＼ ●●. 2.0. ｚ●. ●ヽ●ﾕ?-●-● ／. ７‘﹃卜１−. ここ斤ぺ 茫. √. Ｘ. ／ ｙ. ｌ. ｒａ. ■て. こク ｊ. ssaJ4 sS Plouk)11. ．■ 一. ■-■ヽ■ ｀iヽ■-・-■-■. / 麗. ／. ○. ▲-▲涛. ▲4jjJ.. １．０. ￣▲-▲-▲-▲. ▲. ／ ▲ U.5. ●Cone. A1191e. 90°. ■COIle. Angle. 45°. ▲Colle. AIlgle. 30°. 0.0 0,0. 0.1. ０. ２. Ｆ. ig.3.7 Reynolds. 0.4. 0.5. ／／ ７. Radius. 0.3. 凡. Stress Distribution. 0.6.