小川 和彦

In this study, the measurement of the number and size of cavitation bubbles around a butterfly valve was performed at three positions; at the leading edge, at the position near the rear face of the valve, and at the position which was 1 diameter downstream of the valve. From the visualization results, it was found that cavitation bubble diameters range from about 20 micromters to about 500 micrometers, at the valve opening of 45 degrees. On the contrary, at the position near the rear face of the valve and at a position 1 diameter downstream of the valve, the maximum diameter of cavitation bubbles was about 200 micrometers, at the same valve opening. The number of cavitation bubbles at the leading edge was over a few times the number which was 1 diameter downstream of the valve. Consequently, it is considered that cavitation occurrence is dominant at the leading edge by the contraction flow and that the bubbles which occurr at the leading edge become smaller size bubbles through pressure recovery.

バタフライ弁のキャビテーション騒音について、弁上流側の速度分布が偏っている場合の騒音を調べ、半円形のフィンを弁背面に取り付けると通常の弁よりも騒音が数dB小さくなる効果があることが明らかになった。また高速度カメラによる個々の気泡の可視化が行なわれ、キャビテーションクラウドの発生がフィンによって抑制されることがわかった。また気泡の直径は20μmから200μmであることがわかった。フィンによってオリフィス側からとノズル側からの流れの干渉が抑制され、キャビテーション気泡の個数も小さくなることが明らかとなった。

本研究では流体の制御弁であるバタフライ弁のキャビテーション騒音を低減するための方法について考察した。バタフライ弁のキャビテーションの原因はオリフィス側（弁体前縁側）とノズル側（弁体後縁側）からの流れが干渉することによる。この流れの干渉を防ぐためにフィンを弁体後方に取り付けることを著者は既に提案しており騒音の増加を抑制し最大音圧も低下することは確認していたがフィンの作用についてはまだ明らかでなかった。本論文では可視化実験やキャビテーションモデルを用いた数値解析により、流れの干渉がフィンによって抑制されたことを確認した。またフィンが２枚の場合騒音抑制がなされたが、３枚になると騒音が増加するのは中央のフィンがキャビテーションを促進することが原因であることも明らかにした。フィンの全般的な効果としては、キャビテーションの初生は従来弁より早いが、騒音の増加は抑えられ最大音圧が低下することもわかった。

バタフライ弁は産業プラントで汎用バルブとして多数使用されるが、キャビテーションによる騒音と壊食のためメンテナンスの面から大きな問題となっている。著者は配管形状と弁体形状の改善によりキャビテーション現象の抑制法について研究してきており、弁体の前縁側と後縁側からの流れの干渉を抑制することにより、騒音を5-10dB低下させることができた。実測による検証と流れの可視化、数値解析を援用してその騒音低減の効果について検討したので報告する。

キャビテーション現象は、流れの圧力が低下して液体が蒸発し、液体の中に含まれる気泡核が成長し、気泡へと成長する現象である。この気泡はすぐに崩壊して、周囲に大きな衝撃圧を及ぼし、騒音や壊食現象を引き起こす。したがって、船舶のスクリュー、ポンプ等の流体機械や、産業用プラントにおける流量制御弁や流体計測機器にも種々の障害をもたらす。これらの現象の基礎的な解説を初心者向けに平易に述べた。またこれらの現象の対策や、キャビテーションを加工技術や環境問題などへの利用についても、最近の研究の動向を概説した。

本研究ではバタフライ弁のキャビテーション騒音をより簡単な方法で抑制するため、弁体にフィンを附加すること、および弁後方に管径拡大部を設けることを提案している。バタフライ弁のキャビテーションは、オリフィス側（弁前縁側）とノズル側（弁後縁側）からの流れが干渉することにより発達する。この干渉を防ぐために、弁下流側にフィンを附加した結果、キャビテーション騒音が抑制できることが確認できた。また管径拡大部を設けるとさらに騒音が抑制されるが、拡大部のエッジ部から二次キャビテーションが出ないように注意する必要があることが確認できた。

The cavitation noise in and around piping is very severe and not desirable in working environment. The reduction of cavitation noise is a very important research theme. The purpose of this study is to reduce cavitation noise occurring around a butterfly valve. The main cause of cavitation occurrence is an abrupt decrease of the fluid pressure behind a valve. To recover the pressure behind the valve in our experiment, the pipe was partly enlarged from just ahead of the valve shaft forward downstream. The enlarged part of the pipe is called a "ditch" in this study. To observe the cavitation around the butterfly valve easily, experiments were conducted by the use of a square valve body and a duct having a square cross section. From the results of the noise measurement and visualization, the size of the ditch was determined and it was found that the effect of noise reduction was greatest when the length and the depth of the ditch were 1 and 0.2 times the width of the duct, respectively. In our study, the noise measurement was performed under the condition that the magnitude of the Reynolds number was 100000. With no cavitation, the sound pressure level was about 40 dB but the sound pressure level increased to 60 dB with severe cavitation. By the effect of the ditch, the cavitation noise was reduced by 8 dB to 10 dB at the maximum in the case of the square valve body. The effect of the ditch was very clear in the experiments using an actual valve and piping: It was confirmed that the sound pressure level can be reduced by about 10 dB even with severe cavitation. In the actual operation of the butterfly valve, when a partly enlarged pipe is used, the valve opening must be smaller to obtain the same flow rate as in the case where a conventional pipe and a valve are used, because the pressure loss is smaller when using a partly enlarged pipe. However, even when taking into account the difference of the valve opening, the effect of noise reduction was very remarkable. When a partly enlarged pipe was used, secondary cavitation occurred from the edge of the ditch. From the experimental results, it was found that the effect of the noise of secondary cavitation was about 2 dB to 3dB. However, this noise could be eliminated by changing the shape of the ditch. Thus, partial enlargement of the pipe is very effective for reduction of cavitation noise and it can be realized more easily than changing the shape of the valve body.