学籍番号 廣瀬耕太郎 指導教員 小林泰秀 准教授

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1 学籍番号 15307683 廣瀬耕太郎 指導教員 小林泰秀 准教授
熱線風速計と２センサ法を組み合わせた熱音響システム内の音響流の測定 海８ Acoustic streaming measurements in thermoacoustic systems with hot-wire anemometer and two pressure sensors 学籍番号 　　廣瀬耕太郎　　指導教員 小林泰秀 准教授 Student ID No Kotaro Hirose Supervisor: Yasuhide Kobayashi ABSTRACT Thermoacoustic systems are the energy conversion system that converts heat to acoustic power and vice versa. Thermoacoustic systems have advantages that are high potential energy conversion efficiency and low number of moving parts. However, actual energy conversion efficiency of thermoacoustic system is still lower than theoretical efficiency. One of the causes of the decline in the efficiency is an acoustic streaming that flows in the pipe of thermoacoustic systems. Acoustic streaming is a stationary air flow that is evoked by propagation of sound waves, and it causes the energy loss by heat transporting. Therefore, suppression of acoustic streaming has become a problem to be solved. For that reason, measurement of an acoustic streaming is important for control to suppress the acoustic streaming. We present a new acoustic streaming measurements method using hot-wire anemometer and two pressure sensors. The proposed method enables more easy and low cost measurements compared with previous method such as a laser Doppler velocimeter. In the proposed method, we experimentally obtained a relational expression between the acoustic particle velocity and the wind velocity measurement value of the hot-wire anemometer. This experimental expression enables to eliminate the influence of acoustic particle velocity on the hot-wire anemometer. The result obtained by using our proposed method showed the feasibility of acoustic streaming measurements. 研究背景 音響流観測実験 熱音響現象の利用により，従来はそのまま捨てられていた 排熱からエネルギーを回収し，冷却や発電が可能 ループ管型実験装置　熱音響システム Step1.　ヒータ温度THを変化させたときの流速を熱線風速計で測定 Step2.　熱線風速計が受ける粒子速度を２センサ法で測定 熱音響現象 ・熱と音波の相互エネルギ－変換 熱線風速計 音響流の方向 911[mm] 844[mm] 熱－音波変換 　　　　デバイス Pc1 Pc2 TC　低温側熱交換器　12[℃]一定　 TH　高温側熱交換器 圧力センサ Table1 熱線風速計の仕様 ・管状の細い流路を持つ熱－音波変換デバイス(スタック)の 両端に温度勾配を与えると音波が生じる現象(熱音響自励発振） 製品名 CRIMOMASTER 本体型番 プローブ型番 測定範囲 0.01～5.0 m/s 表示分解能 0.01 m/s 熱音響システム 導波管 Fig.1 ループ管型熱音響発電機 低温 高温 音波 スタック （排熱） リニア 発電機 電力 自励発振開始温度　　TH =310[℃] 自励発振開始周波数　85.7[Hz] TH＝290[℃]からTH＝380[℃]まで変化させた Fig.3 ループ管型実験装置 スタック 直管型実験装置　粒子速度のみ与える実験装置 〈メリット〉 Step3.　両端のスピーカの位相差を変えて粒子速度を変化させたときの 　　　　流速を熱線風速計で測定 ・工場排熱などの低温熱源の利用が可能 ・可動部が少ない，長寿命，メンテナンスフリー スピーカ 熱線風速計 Fig.4 直管型実験装置 音響流が発生しない Pc2 Pc1 圧力センサ SPK1 SPK2 〈課題〉 エネルギー変換効率が理論効率と比較して低い 音響流の発生　熱の輸送による損失 1211[mm] 音響流 パワー アンプ スピーカ駆動周波数　85.7[Hz] D/A変換 ボード 両端スピーカの位相差を0からπまで変化させた 流体中を音波が伝播することより生じる，管内流体の直流的な流れ PC 研究目的 実験結果と考察 最終目標　音響流の能動的抑制 ・受動的抑制　ゴム膜による管路の遮断 Step1・Step2 Step3 ゴム膜による音波の減衰を回避したい ・能動的抑制　アクチュエータによる音響流の打ち消し アクチュエータ 音響流 Fig.2 音響流の能動的抑制 空気の流れを誘起 音響流 本研究の目的　フィードバック制御を行うため 音響流を測定 Fig.5 ループ管型実験装置　粒子速度と流速の関係 Fig.6 直管型実験装置　粒子速度と流速の関係 提案手法 従来手法 レーザードップラー流速計(LDV) センサを組み合わせて使用 ・トレーサ粒子の封入が必要 ・高価なセンサ 熱線風速計＋圧力センサ (２個) 目標　トレーサ粒子不要で安価な音響流の測定デバイスの開発 音響流の観測手法 Fig.7 粒子速度に対する音響流の変化 Fig.8 Prms2に対する音響流の変化 提案手法　音響流の流速測定に熱線風速計を使用 音響流 vas = v - v(u)　 Prms2 ：音圧振幅Pの実効値の2乗　 管内を伝播する音波の粒子速度u(空気粒子の振動速度)の成分v(u)も流速として検出 　考察　音響流はPrms2の増加に比例　定性的に妥当な傾向 問題点 提案手法を用いて，音響流を観測することができた 音響流 粒子速度成分 v(u) 熱音響システム 粒子速度のみ与える実験装置 熱線風速計で 測定される流速v vas まとめ・今後の課題 vas まとめ ・熱線風速計と圧力センサを組み合わせて，音響流を観測する 　手法を提案した 粒子速度uが熱線風速計に与える流速v(u)を実験で取得する ・提案手法を用いて，音響流が測定可能であることを示した 熱線風速計 ２センサ法(粒子速度測定) Pc1 Pc2 ℓ x →p(x) 風 今後の課題 →u(x) ・LDVによる測定結果との比較を行い，測定の正確さを調査 金属線(加熱) 電流 圧力センサ ・能動制御系へ組み込むセンサとして利用 支柱