着氷現象に関する基礎的研究

着氷現象に関する基礎的研究
平成 28 年 3 月 11 日
高知工科大学大学院
航空ガスタービン研究室 前田莉絵子
目次
第 1 章 緒論・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
1. 1
3
研究背景・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3
1. 1. 1 着氷とは何か・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
3
1. 1. 2 航空機の着氷・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
4
1. 1. 3 ジェットエンジンの着氷・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
4
1. 2
研究目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
5
1. 2. 1 着氷研究の意義・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
5
1. 2. 2 本研究の目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
5
第 2 章 粒子径・速度場計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6
2. 1
目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6
2. 2
液浸法粒子径計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6
2. 2. 1 概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
6
2. 2. 2 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
7
2. 2. 3 実験条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
9
2. 2. 4 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
9
2. 2. 5 考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
10
2. 3
シャドウグラフ粒子径計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
11
2. 3. 1 概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
11
2. 3. 2 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
11
2. 3. 3 実験条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
12
2. 3. 4 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
13
2. 3. 5 考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
15
2. 4 PIV による液滴速度計測・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
16
2. 4. 1 概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
16
2. 4. 2 実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
16
2. 4. 3 実験条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
17
2. 4. 4 実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
17
2. 4. 5 考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
20
-1-
第 3 章 平板着氷実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
21
3. 1
目的・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
21
3. 2
実験方法・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
21
3. 3
実験装置・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
21
3. 4
実験条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
23
3. 5
実験結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
24
3. 6
考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
53
3. 6. 1 粒子径と流量による着氷形状の違い・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
53
3. 6. 2 レーザー計測結果と写真解析結果のずれ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
53
第 4 章 数値解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
54
4. 1
概要・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
54
4. 2
計算条件・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
54
4. 3
計算結果・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
55
4. 4
考察・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
56
第 5 章 結論及び今後の課題・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
57
5. 1
平板着氷実験・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
57
5. 2
数値解析・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
57
5. 3
ダクテッドファン・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
57
参考文献・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
58
謝辞・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
59
-2-
第 1 章 緒論
1. 1
研究背景
1. 1. 1
着氷とは何か
着氷とは過冷却液滴等が物体と衝突・凍結し，その表面に氷層を形成する現象である．
大きく下記の 4 種類に分類される．

雨氷(Clear icing)
-10～0℃で発生する. 透明で硬い．
過冷却液滴が衝突面を流れながら徐々に凍結（ランバック）し，
ホーンの様な氷層を形成する．

霧氷(Rime icing)
-15℃以下で発生する．不透明で脆い．
過冷却液滴が衝突と同時に凍結し，衝突点に厚く集中した氷層を
形成する．

混合型(Mixed icing)
上記 2 つの混合型．
実際の着氷は大半がこのタイプである．

アイス・クリスタル着氷
氷晶（氷結晶）が一部溶け，再凍結する．
(Ice crystal icing)
氷晶は過冷却液滴よりも奥へ侵入できるため，従来は考えられ
なかった場所にも着氷する．
図 1. 1 雨氷[1]
図 1. 2 霧氷[2]
-3-
1. 1. 2
航空機の着氷
雲は雲粒と呼ばれる水滴・氷晶で構成されている．気温 0℃以下でも氷晶に変化しない雲（過冷却雲）
を航空機が通過する時，過冷却水滴と衝突して凍結・付着する．また降下時も，外気温が 0℃以上であ
っても機体温度は氷点下のままであるから着氷しやすい．
特に着氷しやすいのは図 1.3 に示す通り，雲粒との衝突点となるウィンドシールドや翼前縁部，操縦
翼面，着陸装置，ピトー管等の計器類である．これらの着氷は視界悪化，計器異常，揚力特性の変化，
ブレーキ不能等を引き起こし，飛行の安全を阻害する．
図 1. 3 航空機の着氷[3]
1. 1. 3
ジェットエンジンの着氷
ジェットエンジンでも，燃焼器より前方の圧縮機・ファンなどで着氷が起きる．
エンジンに着氷すると流路が狭まりエンジン性能が低下する．また回転機械であるため，氷の離脱現
象(Ice shedding) によってエンジンコアや機体の損傷，フレームアウト（失火）
，氷塊の地上落下等を引
き起こす可能性がある．
図 1. 4 エンジンファンにおける着氷[4]
-4-
機体との違いは，過冷却雲だけでなく高濃度氷晶雲を通過した際にも着氷による損害が報告されてい
ることである．従来氷晶は跳ね返るだけで着氷しないとされてきたが，近年では圧縮機・燃焼器の熱に
よって部分的に溶融し，エンジン内に付着して表面温度を下げ再凍結しているのではないかと考えられ
ている．これら氷晶による着氷は，過冷却水滴によるものと区別するためアイス・クリスタル着氷(Ice
Crystal Icing, ICI) と呼ばれており，これまで防氷措置がとられてこなかった高圧圧縮機等の高温領域
でも起こり得るため早急な対策が求められている．
図 1. 5 2 軸ターボファンエンジンの模式図と着氷箇所[5]
1. 2
研究目的
1. 2. 1
着氷研究の意義
ジェットエンジンがクリアすべき防氷性能は米国連邦航空規則(FAR)に依っているが，着氷現象に
未解明の点が多い現在これらの基準値は経験的に設定せざるを得ず，実際の飛行に対して効率の良
い着氷試験を行えているかどうかは疑問が残る．
着氷現象を解明すればより効果的な防氷性能試験基準を定めることができる．また CFD に応用す
ればエンジン開発コストを削減することもできる．
1. 2. 2

本研究の目的
非接触着氷量計測システムを構築し，計測時間を短縮させる．そうすることで実際の着氷に
より近い状態で計測できる．また，回転翼の着氷量計測も可能にする．

実験によって獲得した温度・流量・着氷量などのデータを数値計算と照らし合わせ，その信
頼性向上に繋げる．
-5-
第 2 章 粒子径・速度場計測
2. 1
目的
着氷実験で用いる噴霧ノズルに関して，圧搾空気流量・水量の変化に対する粒子径と速度場の関係を
把握し，着氷実験と数値解析に必要な基礎データを得る．
図 2. 1 噴霧ノズル（いけうち BIMV 4502 S303+SP303）
図 2. 2 カタログ粒子径（いけうち BIMV 4502 S303+SP303）[6]
2. 2
液浸法粒子径計測
2. 2. 1
概要
シリコンオイルを塗布したプレートグラス等に霧を噴霧して粒子を閉じ込め，撮影した拡大写真か
ら粒子径を測定する．撮影画像の一例を図 2.3 に示す．
-6-
図 2. 3 液浸法顕微鏡写真の一例
2. 2. 2
実験装置
表 2. 1 に実験装置一覧を，図 2. 4，図 2. 5 に写真を示す．
表 2. 1 液浸法粒子径計測実験装置一覧
いけうち BIMV 4502 S303+SP303
ノズル
レギュレータ（空気） SMC AW40K-04BE
噴霧装置
流量センサ
PISCO FUS20-NV-F500-83BN
電磁弁
Parker WV121S222NV I-1S-8P
圧力計
長野計器 GC61
水タンク
ユニオンコントロールズ(株) TM5SRV
フィルタ
SMC FGH00-00021
レギュレータ（水）
CKD WR1-8-N 4529G
コリオリ式流量計
KEYENCE FD-SSO2A
TOFCO EM1000ET
超音波流量計
データ記録ユニット
顕微鏡
トラバース装置
TOFLO USF200S-G08-1-A300
DC 電源
高砂製作所 LX035-1B
バルブ等
PISCO
データロガー
KEYENCE NR-600
アナログ計測
KEYENCE NR-HA08
CAN データ収集
KEYENCE NR-C512
温度・電圧計測
KEYENCE NR-TH08
電源
KEYENCE NR-U60
本体
WRAYMER
カメラ
WRAYCAM NF300
アクチュエータ
THK ES4-06-0400-TS-35P-D00-S3
コントローラ
THK TSC-015-MOD-ES4-06-D
定圧電源
TEXIO PSW-360L30
A 像くん
解析ソフトウェア
-7-
レギュレータ（空気）
圧搾空気入口
圧力計（空気）
流量センサ
電磁弁
圧力計（水）
DC 電源
超音波式流量計
データロガー
コリオリ式流量計
フィルタ
レギュレータ（水）
水タンク（冷蔵庫内に収納）
図 2. 4 噴霧装置
図 2. 5 液浸法計測装置
-8-
2. 2. 3
実験条件
計測箇所：ノズル開口部から距離 100mm
圧搾空気圧と水圧を定め全 25 ケースを計測した．
2. 2. 4
実験結果
表 2. 2 に液浸法による粒子径計測結果を示す．また図 2.6 に計測結果の散布図を示す．
表 2. 2 液浸法によるザウター平均粒子径(x=100mm)
case
空気圧
水圧
空気流量
[MPa]
[MPa]
[L/min]
水量
[mL/min]
気水比
[L/hr]
平均粒子径
[µm]
1
0. 50
0. 35
27. 0
85. 7
5. 1
315
18. 3
2
0. 50
0. 30
28. 4
59. 2
3. 6
480
15. 8
3
0. 45
0. 35
22. 5
107. 9
6. 5
209
29. 4
4
0. 45
0. 30
25. 0
74. 1
4. 4
337
20. 1
5
0. 40
0. 30
21. 0
94. 0
5. 6
223
28. 4
6
0. 40
0. 25
23. 2
61. 7
3. 7
376
27. 9
7
0. 35
0. 25
19. 2
81. 4
4. 9
236
28. 6
8
0. 35
0. 20
21. 5
48. 7
2. 9
441
20. 4
9
0. 31
0. 25
15. 4
101. 0
6. 1
152
38. 8
10
0. 30
0. 25
14. 6
111. 9
6. 7
130
50. 9
11
0. 30
0. 24
14. 9
99. 7
6. 0
149
47. 7
12
0. 30
0. 20
17. 5
68. 2
4. 1
257
32. 8
13
0. 30
0. 15
19. 6
34. 4
2. 1
570
18. 5
14
0. 27
0. 20
14. 7
81. 9
4. 9
179
35. 6
15
0. 26
0. 20
13. 6
90. 1
5. 4
151
48. 3
16
0. 25
0. 20
13. 0
95. 8
5. 7
136
60. 3
17
0. 25
0. 19
13. 3
87. 2
5. 2
153
50. 8
18
0. 25
0. 18
14. 1
75. 6
4. 5
187
36. 7
19
0. 25
0. 15
15. 8
52. 5
3. 2
301
29. 6
20
0. 21
0. 15
12. 1
74. 2
4. 5
163
40. 7
21
0. 20
0. 15
11. 3
80. 3
4. 8
141
56. 9
22
0. 20
0. 14
11. 8
70. 1
4. 2
168
38. 6
23
0. 20
0. 10
13. 9
37. 1
2. 2
375
32. 2
24
0. 17
0. 10
11. 1
49. 7
3. 0
223
39. 5
25
0. 15
0. 10
9. 7
62. 8
3. 8
154
50. 2
-9-
70
平均粒子径[µm]
60
50
40
30
液浸法
20
10
0
0
200
400
600
800
気水比
図 2. 6 ザウター平均粒子径（液浸法）
2. 2. 5
考察
気水比が大きいほど粒子径は小さくなる．全体にカタログ粒子径よりも小さな値が出ているが，こ
ちらのほうがより真値に近いと思われる．
- 10 -
2. 3
シャドウグラフ粒子径計測
2. 3. 1
概要
噴霧粒子にレーザーを照射して図 2.7 に示すような粒子の影絵写真（シャドウグラフ）を撮影し，得
た画像から粒子径を計測する．撮影画像の一例を図 2.7 に示す．
図 2. 7 シャドウグラフの一例
まず計測環境を整えるために，径が一定のナイロン標準粒子(10µm，30µm，60µm)を噴霧・撮影し，
カメラのフォーカスと粒子径解析ソフトウェアの解析設定を調整した（図 2.8）．
シャドウグラフの校正
70.00
y = 0.9988x
R² = 0.967
60.00
計測値
50.00
40.00
30.00
20.00
10.00
10
20
30
40
50
60
70
カタログ値
図 2.8 標準粒子径計測結果
標準粒子径計測によるシャドウグラフの校正を基に，ノズル噴霧液滴の粒子径計測に移行した．
- 11 -
2. 3. 2
実験装置
噴霧装置とカメラの撥水カバー以外は図 2. 9 に示す標準粒子計測と同じ装置を用いて行った．表 2. 3
に装置一覧を示す．
図 2. 9 標準粒子計測
表 2. 3 シャドウグラフ粒子径計測実験装置一覧
噴霧装置
液浸法と共通
データ記録ユニット
液浸法と共通
yag レーザー
Litron Lasers LPU 450
カメラ
カメラ本体
PCO1600
レンズ
HIROX CX-5040SZ
PRO1D Lotus プロテクター，
撥水カバー
レンズフード
LabSmith LC880
タイミングコントローラ
ES6-06-0600B-TS-42P-D00-S3
アクチュエータ
トラバース装置
コントローラ
液浸法と共通
定圧電源
2. 3. 3
撮影ソフトウェア
KoncertoⅡ ver0.3.0.119
解析ソフトウェア
SpeedView750 ver1.08
実験条件
計測箇所：ノズル開口部から距離 100mm，300mm
圧搾空気圧と水圧を定めて以下の 25 ケースを計測した．
- 12 -
2. 3. 4
実験結果
表 2. 4 にノズル開口部からの距離が 100mm，
表 2. 5 に距離 300mm の場合の粒子径計測結果を示す．
また，図 2. 10 に距離 100mm の結果のグラフ，図 2. 11 に 3 種の実験結果のグラフを示す．
表 2. 4 シャドウグラフ法によるザウター平均粒子径(x=100mm)
case
空気圧
水圧
空気流量
[MPa]
[MPa]
[L/min]
水量
[mL/min]
気水比
平均粒子径
[μm]
[L/hr]
1
0. 50
0. 35
27. 2
80. 6
4. 8
337
13. 9
2
0. 50
0. 30
28. 1
57. 4
3. 4
490
14. 1
3
0. 45
0. 35
22. 6
105. 1
6. 3
215
17. 2
4
0. 45
0. 30
25. 0
70. 7
4. 2
354
13. 7
5
0. 40
0. 30
21. 8
92. 3
5. 5
236
18. 7
6
0. 40
0. 25
24. 1
58. 0
3. 5
416
14. 8
7
0. 35
0. 25
20. 4
76. 4
4. 6
267
17. 1
8
0. 35
0. 20
22. 1
49. 1
2. 9
450
15. 4
9
0. 31
0. 25
16. 7
101. 3
6. 1
165
22. 0
10
0. 30
0. 25
15. 5
110. 0
6. 6
141
24. 7
11
0. 30
0. 24
16. 3
99. 0
5. 9
165
22. 2
12
0. 30
0. 20
18. 6
65. 0
3. 9
286
17. 1
13
0. 30
0. 15
20. 3
36. 2
2. 2
561
15. 6
14
0. 27
0. 20
15. 7
82. 4
4. 9
191
21. 1
15
0. 26
0. 20
15. 1
86. 2
5. 2
175
21. 4
16
0. 25
0. 20
13. 5
96. 5
5. 8
140
27. 8
17
0. 25
0. 19
14. 7
83. 4
5. 0
176
23. 4
18
0. 25
0. 18
15. 0
76. 7
4. 6
196
20. 7
19
0. 25
0. 15
16. 6
50. 4
3. 0
329
20. 6
20
0. 21
0. 15
13. 5
70. 5
4. 2
191
26. 2
21
0. 20
0. 15
12. 1
78. 8
4. 7
154
27. 6
22
0. 20
0. 14
13. 3
68. 7
4. 1
194
23. 2
23
0. 20
0. 10
15. 2
33. 6
2. 0
452
17. 7
24
0. 17
0. 10
12. 5
48. 6
2. 9
257
23. 8
25
0. 15
0. 10
10. 7
60. 9
3. 7
176
33. 8
- 13 -
表 2. 5 シャドウグラフ法によるザウター平均粒子径(x=300mm)
case
空気圧
水圧
空気流量
[MPa]
[MPa]
[L/min]
水量
[mL/min]
気水比
平均粒子径
[μm]
[L/hr]
1
0. 50
0. 35
27. 3
81. 1
4. 9
336
23. 1
2
0. 50
0. 30
28. 7
58. 3
3. 5
492
17. 4
3
0. 45
0. 35
23. 7
103. 6
6. 2
228
32. 1
4
0. 45
0. 30
25. 9
70. 8
4. 2
366
20. 8
5
0. 40
0. 30
23. 2
90. 9
5. 5
255
33. 1
6
0. 40
0. 25
25. 0
59. 3
3. 6
421
21. 3
7
0. 35
0. 25
21. 3
78. 7
4. 7
271
33. 8
8
0. 35
0. 20
23. 1
49. 7
3. 0
464
30. 1
9
0. 31
0. 25
16. 9
106. 8
6. 4
159
40. 4
10
0. 30
0. 25
16. 1
112. 9
6. 8
142
41. 4
11
0. 30
0. 24
17. 9
99. 7
6. 0
179
32. 0
12
0. 30
0. 20
19. 6
65. 1
3. 9
302
21. 5
13
0. 30
0. 15
21. 3
35. 4
2. 1
600
18. 2
14
0. 27
0. 20
16. 8
80. 4
4. 8
209
27. 3
15
0. 26
0. 20
15. 6
89. 0
5. 3
175
30. 4
16
0. 25
0. 20
14. 4
99. 3
6. 0
145
34. 5
17
0. 25
0. 19
17. 3
85. 7
5. 1
201
31. 2
18
0. 25
0. 18
17. 7
77. 4
4. 6
229
33. 0
19
0. 25
0. 15
19. 0
52. 1
3. 1
365
23. 5
20
0. 21
0. 15
15. 4
76. 1
4. 6
202
28. 6
21
0. 20
0. 15
14. 3
81. 3
4. 9
176
31. 3
22
0. 20
0. 14
14. 8
70. 6
4. 2
210
40. 1
23
0. 20
0. 10
17. 3
35. 7
2. 1
484
20. 5
24
0. 17
0. 10
14. 6
47. 6
2. 9
307
26. 2
25
0. 15
0. 10
12. 5
66. 2
4. 0
188
35. 6
- 14 -
図 2. 10 シャドウグラフ粒子径計測結果（100mm）
70
平均粒子径[μm]
60
50
40
液浸法
30
SG(x100)
20
SG(x300)
10
0
0
200
400
600
800
気水比
図 2. 11 ザウター平均粒子径一覧
2. 3. 5
考察
液浸法と比べてザウター平均径が小さく出るのは，大きな粒子には焦点が合い辛く解析対象としてカ
ウントされないことと，微少粒子がシリコンオイルを通過できず蒸発してしまい，粒子径が大きく出や
すい液浸法の特性が原因と思われる．距離が離れると径を増すのは微小粒子同士が結合し大きくなって
いるものと思われる．
- 15 -
2. 4
PIV による液滴速度計測
2. 4. 1
概要
PIV とは粒子画像流速測定法(Particle Image Velocimetry)の略であり，連続撮影写真等，時間的に
連続の画像から微小時間 dt における粒子の変位ベクトル dx を求め，速度ベクトル dx/dt を算出する
方法である．
時刻 t+dt
時刻 t
青：時刻 t
赤：時刻 t+dt
dx
2. 4. 2
実験装置
表 2. 6 に PIV で用いた装置一覧を示す．
表 2. 6 PIV 実験装置一覧
噴霧装置
粒子径計測と同一
データ記録ユニット
粒子径計測と同一
yag レーザー
シャドウグラフ粒子径計測と同一
カメラ
本体
シャドウグラフ粒子径計測と同一
レンズ
ニコン Ai Micro-Nikkor 105mm
備品
YAG2 倍波干渉フィルタ
（備考）
（カメラが外乱光に反応しないようにするフィルタ）
タイミングコントローラ
シャドウグラフ粒子径計測と同一
トラバース装置
粒子径計測と同一
本体
撮影ソフトウェア
シャドウグラフ粒子径計測と同一
解析ソフトウェア
KoncertoⅡ ver0.3.0.119
- 16 -
2. 4. 3
実験条件
計測箇所：ノズル開口部から距離 0mm, 100mm, 200mm, 300mm, 400mm, 500mm
圧搾空気圧，液圧，撮像時間間隔(dt)を変更し以下の 13 ケースについて測定した．
2. 4. 4
実験結果
表 2. 7 に結果一覧，図 2. 12 から図 2. 17 にグラフを示す．
表 2. 7 PIV 計測結果一覧
case
空気圧
水圧
[MPa]
[MPa]
平均流速[m/s]
x0
x100
x200
x300
x400
x500
3
0. 45
0. 35
57. 29
8. 57
4. 29
2. 96
2. 36
1. 99
4
0. 45
0. 30
42. 78
8. 71
4. 70
3. 52
2. 92
2. 37
7
0. 35
0. 25
47. 26
6. 71
3. 70
2. 82
2. 23
1. 82
8
0. 35
0. 20
28. 32
7. 42
4. 61
3. 26
2. 65
2. 21
9
0. 31
0. 25
50. 15
6. 19
3. 10
2. 16
1. 67
1. 30
16
0. 25
0. 20
42. 72
6. 55
3. 25
2. 14
1. 58
1. 30
17
0. 25
0. 19
41. 24
5. 42
2. 85
1. 92
1. 49
1. 19
19
0. 25
0. 15
28. 67
5. 98
3. 60
2. 68
2. 19
1. 62
20
0. 21
0. 15
36. 65
4. 67
2. 63
1. 72
1. 35
1. 19
21
0. 20
0. 15
36. 81
4. 62
2. 57
1. 62
1. 03
1. 00
23
0. 20
0. 10
23. 44
5. 94
3. 61
2. 68
1. 72
1. 55
24
0. 17
0. 10
24. 43
5. 07
2. 91
2. 06
1. 50
1. 09
25
0. 15
0. 10
30. 48
4. 10
2. 04
1. 48
0. 95
0. 78
- 17 -
60
case03
case04
50
平均流速[m/s]
case07
case08
40
case09
30
case16
case17
20
case19
case20
10
case21
case23
0
case24
0
100
200
300
400
500
ノズル出口からの距離[mm]
case25
図 2. 12 PIV 計測結果
10
case03
9
case04
8
case07
平均流速[m/s]
7
case08
6
case09
5
case16
4
case17
case19
3
case20
2
case21
1
case23
0
case24
100
200
300
400
ノズル出口からの距離[mm]
図 2. 13 PIV 計測結果 (x100～x500)
- 18 -
500
case25
60
60
55
55
50
50
45
45
40
case3(液圧0.35MPa)
35
case4(液圧0.30MPa)
30
40
case16(液圧0.20MPa)
35
case17(液圧0.19MPa)
30
25
25
20
20
15
15
10
10
5
5
0
case19(液圧0.15MPa)
0
0
100
200
300
400
500
0
図 2. 14 空気圧 0. 45MPa
100
200
300
400
500
図 2. 15 空気圧 0. 25MPa
35
45
40
30
35
25
30
case08(空気圧0.35MPa)
25
case23(空気圧0.20MPa)
20
case24(空気圧0.17MPa)
15
case25(空気圧0.15MPa)
case16(空気圧0.25MPa)
20
15
10
10
5
5
0
0
200
0
400
0
図 2. 16 水圧 0. 20MPa
200
400
図 2. 17 水圧 0. 10MPa
空気圧・水圧が高いほど流速も大きい．また同じ空気圧で水平方向速度を比較した場合，ノズル近
傍では水圧の高い方が速いが，それ以遠は遅くなる．
- 19 -
2. 4. 5
考察
同じ空気圧でも液圧が高いと粒子径が大きくなる．また，ノズルから遠のくと微小液滴同士が結合
して粒子径が大きくなる．粒子径，すなわち質量が大きいほど下方向の加速度も大きくなり，そのぶ
ん水平方向の速度が落ちているものと考えられる．
- 20 -
第 3 章 平板着氷実験
3. 1
目的
非接触着氷量計測の足がかりとして，形状の単純な平板の着氷を計測しノウハウを得る．また噴霧条
件を変えて得られた着氷データを CFD に活用する．
3. 2
実験方法
冷凍庫内に設置した平板に過冷却状態の水滴を一定時間噴霧して着氷させる．
その後ラインレーザーで表面形状を計測し，着氷前の計測値と差分を取って着氷量（厚み）を算出する．
またレーザー計測結果を検証するため，平板の上部から撮影した写真を用いた解析も行う．
3. 3
実験装置
図 3. 1 に冷凍庫の全体像，図 3. 2 に平板近辺の拡大図，図 3. 3 にレーザー計測機器の全体像を示す．
平板
モータ
熱電対
ノズル収納箱
図 3. 1 冷凍庫内部
- 21 -
トラバース装置
レーザー変位計
500mm
平板
ノズル
制御機器
平板
図 3. 2 平板とノズル収納箱
図 3. 3 レーザー計測機器周辺
表 3. 1 平板着氷実験機器一覧
噴霧装置
粒子径・速度場計測と共通
圧縮機
日立スーパーオイルフリーベビコン 0. 75LE-8S
噴霧データ記録機器
粒子径・速度場計測と共通
冷凍庫
レマコム RRS-605SF
温度センサ
レーザー計測機器
トラバース装置
同期制御機器
K 熱電対
日本電測 TN1 シリーズ
レーザー変位計
KEYENCE LJ-V7300
コントローラ
KEYENCE LJ-V7000
通信ユニット
KEYENCE CB-EP100
本体
IAI RCP5-SA4C-WA-35P-2. 5-400-P3-M-B
コントローラ
IAI PCON-CA-35P WAI-CC-5-0-null-DN
PLC
KEYENCE KV-7000
I/O ユニット
KEYENCE KV-C32XTD
位置制御ユニット
KEYENCE KV-LH20V
DC 電源
カメラ 1
KEYENCE CA-U3
本体
Nikon D40
レンズ
AF-S DX Zoom-Nikkor 18-55mm f/3. 5-5. 6G ED II
カメラ 2
Canon IXY 50S
可視化ソフトウェア
Tecplot 360 EX ver15. 2. 1. 62273
写真解析ソフトウェア
Simple Digitizer ver3. 22
- 22 -
3. 4
実験条件
・平板サイズ：200×100×5mm
・ノズル開口部から平板までの距離：500mm
・噴霧前冷凍庫内温度：-17℃～-20℃
・噴霧時間：300sec
流量・粒子径による変化を見るため，表 3. 2 に示す 9 ケースを選定し，再現性を考慮して三回ずつ実
験を行った．
表 3. 2 平板着氷実験条件
CASE
空気圧
水圧
空気流量
水量
粒子径（液浸）
[MPa]
[MPa]
[L/min]
[mL/min]
[µm]
4
0. 45
0. 30
27. 0
77. 0
20. 1
7
0. 35
0. 25
20. 8
77. 0
28. 6
8
0. 35
0. 20
23. 7
45. 0
20. 4
16
0. 25
0. 20
15. 5
97. 9
60. 3
19
0. 25
0. 15
18. 8
43. 4
29. 6
20
0. 21
0. 15
15. 8
62. 7
40. 7
23
0. 20
0. 10
16. 4
36. 5
32. 2
24
0. 17
0. 10
14. 7
49. 1
39. 5
25
0. 15
0. 10
13. 3
63. 3
50. 2
- 23 -
3. 5
実験結果
レーザー計測により得た着氷厚み（着氷前と着氷後の差分量）を表 3. 3 と図 3. 4 に示す．
また，写真解析により得た着氷厚みを表 3. 4 と図 3. 5 に示す．
表 3. 3 着氷厚み（レーザー計測）
最大値[mm]
最小値[mm]
CASE
1 回目
2 回目
3 回目
平均
4
20. 68
21. 74
25. 13
7
4. 56
8. 80
8
17. 97
16
平均値[mm]
1 回目
2 回目
3 回目
平均
1 回目
2 回目
3 回目
平均
22. 51
6. 81
0. 71
4. 09
3. 87
14. 10
14. 81
15. 83
14. 91
8. 44
7. 27
-3. 84
-7. 86
-11. 52
-7. 74
0. 03
0. 43
0. 43
0. 30
12. 88
16. 52
15. 79
1. 09
-0. 42
0. 79
0. 49
9. 40
7. 81
11. 12
9. 44
1. 36
5. 37
5. 09
3. 94
-4. 65
-6. 52
-5. 00
-5. 39
-0. 40
0. 43
0. 31
0. 11
19
5. 33
7. 30
6. 53
6. 39
-2. 62
-7. 35
-7. 42
-5. 79
1. 52
0. 25
0. 38
0. 72
20
2. 89
4. 84
4. 49
4. 07
-2. 41
-2. 74
-2. 35
-2. 50
0. 31
0. 32
0. 35
0. 33
23
3. 91
7. 02
6. 35
5. 76
-3. 95
-6. 72
-6. 11
-5. 60
0. 59
0. 36
0. 46
0. 47
24
3. 19
5. 89
6. 98
5. 35
-2. 29
-6. 43
-5. 00
-4. 57
0. 36
0. 47
0. 44
0. 43
25
3. 90
4. 28
4. 44
4. 20
-2. 01
-2. 95
-3. 32
-2. 76
0. 23
0. 31
0. 34
0. 29
図 3. 4 着氷厚み平均値（レーザー計測）
- 24 -
表 3. 4 着氷厚み（写真解析）
最大値[mm]
最小値[mm]
CASE
1 回目
2 回目
3 回目
平均
4
16. 80
27. 90
18. 00
7
3. 68
5. 27
8
9. 33
16
平均値[mm]
1 回目
2 回目
3 回目
平均
1 回目
2 回目
3 回目
平均
20. 90
0. 29
-2. 77
1. 23
-0. 42
12. 76
19. 75
13. 06
15. 19
3. 96
4. 30
0. 06
0. 48
0. 04
0. 19
2. 66
4. 09
3. 01
3. 25
10. 80
10. 60
10. 24
-1. 12
0. 13
-0. 61
-0. 53
6. 26
7. 94
7. 61
7. 27
3. 14
3. 80
3. 85
3. 60
-0. 20
-0. 38
-0. 21
-0. 26
2. 22
2. 68
2. 90
2. 60
19
3. 73
3. 48
3. 48
3. 56
-0. 24
0. 07
-0. 47
-0. 21
3. 00
2. 10
2. 54
2. 54
20
2. 73
2. 47
2. 58
2. 59
-0. 24
0. 08
0. 00
-0. 05
2. 13
1. 77
1. 92
1. 94
23
3. 03
2. 43
2. 91
2. 79
-0. 19
-0. 16
-0. 05
-0. 13
2. 28
1. 67
2. 03
2. 00
24
1. 95
2. 71
2. 30
2. 32
-0. 28
-0. 13
-0. 46
-0. 29
1. 49
1. 51
1. 50
1. 50
25
2. 05
1. 59
2. 49
2. 04
-0. 19
-0. 08
0. 21
-0. 02
1. 40
1. 15
1. 94
1. 49
図 3. 5 着氷厚み平均値（写真解析）
- 25 -
CASE04：空気圧 0. 45MPa，水圧 0. 30MPa，粒子径（液浸）20. 1µm
CASE04-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
443. 40
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
301. 60
26. 96
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
76. 89
-13. 17
水温
[°C]
7. 33
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
20. 68
6. 81
14. 10
写真解析
16. 80
0. 29
12. 76
鳥瞰図
上面図
20
10
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 26 -
CASE04-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
437. 23
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
296. 82
26. 85
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
73. 84
-13. 83
水温
[°C]
4. 50
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
21. 74
0. 71
14. 81
写真解析
27. 90
-2. 77
19. 75
鳥瞰図
上面図
30
20
10
0
側面図
写真解析結果
- 27 -
CASE04-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
448. 61
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
296. 93
27. 67
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
72. 88
-11. 50
水温
[°C]
4. 83
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
25. 13
4. 09
15. 83
写真解析
18. 00
1. 23
13. 06
鳥瞰図
上面図
20
10
0
側面図
写真解析結果
今回の実験で最も粒子径が小さいケースであり，最も厚い．下（側面図の向かって左）へ行くほど厚い．
白く不透明で着雪のようだが，触ると雪よりも水分が多い．
- 28 -
CASE07：空気圧 0. 35MPa，水圧 0. 25MPa，粒子径（液浸）28. 6µm
CASE07-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
345. 96
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
244. 93
21. 54
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
79. 54
-11. 67
水温
[°C]
5. 83
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
4. 56
-3. 84
0. 03
写真解析
3. 68
0. 06
2. 66
鳥瞰図
上面図
6
4
2
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 29 -
CASE07-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
355. 76
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
251. 45
22. 04
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
80. 16
-13. 00
水温
[°C]
6. 50
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
8. 80
-7. 86
0. 43
写真解析
5. 27
0. 48
4. 09
鳥瞰図
上面図
6
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 30 -
CASE07-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
346. 41
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
250. 43
21. 31
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
84. 48
-13. 00
水温
[°C]
6. 50
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
8. 44 -11. 52
0. 43
写真解析
3. 96
3. 01
0. 04
鳥瞰図
上面図
6
4
2
0
側面図
写真解析結果
CASE04 と水量が同じで粒子径が 1. 5 倍のケースである．
透明で薄く水っぽい形状であり，CASE07-1 では一部下（鳥瞰図の右下）に垂れている．
- 31 -
CASE08：空気圧 0. 35MPa，水圧 0. 20MPa，粒子径（液浸）20. 4µm
CASE08-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
338. 83
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
196. 89
22. 78
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
49. 19
-13. 83
水温
[°C]
4. 83
着氷厚み[mm]
レーザー計測
写真解析
最大値
最小値
平均値
17. 97
1. 09
9. 40
9. 33
-1. 12
6. 26
鳥瞰図
上面図
10
5
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 32 -
CASE08-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
347. 47
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
199. 87
23. 87
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
49. 58
-11. 50
水温
[°C]
5. 33
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
12. 88
-0. 42
7. 81
写真解析
10. 80
0. 13
7. 94
鳥瞰図
上面図
10
5
0
側面図
写真解析結果
- 33 -
CASE08-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
349. 31
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
198. 66
24. 45
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
48. 57
-12. 83
水温
[°C]
6. 00
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
16. 52
0. 79
11. 12
写真解析
10. 60
-0. 61
7. 61
鳥瞰図
上面図
10
5
0
側面図
写真解析結果
CASE04 と粒子径はほぼ同じだが水量は少ない．
今回の実験では 2 番目に厚い．CASE04 よりも厚い所と薄い所の差が大きい．
- 34 -
CASE16：空気圧 0. 25MPa，水圧 0. 20MPa，粒子径（液浸）60. 3µm
CASE16-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
246. 63
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
195. 84
15. 54
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
97. 90
-13. 50
水温
[°C]
5. 00
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
1. 36
-4. 65
-0. 40
写真解析
3. 14
-0. 20
2. 22
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 35 -
CASE16-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
247. 85
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
195. 47
15. 36
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
97. 18
-15. 83
水温
[°C]
5. 33
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
5. 37
-6. 52
0. 43
写真解析
3. 80
-0. 38
2. 68
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 36 -
CASE16-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
251. 59
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
197. 83
14. 97
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
97. 04
-12. 67
水温
[°C]
5. 33
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
5. 09
-5. 00
0. 31
写真解析
3. 85
-0. 21
2. 90
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
今回の実験で粒子径が最も大きいケースである．
透明で表面が粒状．似たような結果の中では厚いほうである．
- 37 -
CASE19：空気圧 0. 25MPa，水圧 0. 15MPa，粒子径（液浸）29. 6µm
CASE19-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
264. 87
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
146. 28
18. 80
水量
[mL/min]
43. 15
庫内温度
[°C]
-16. 00
水温
[°C]
4. 83
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
5. 33
-2. 62
1. 52
写真解析
3. 73
-0. 24
3. 00
鳥瞰図
上面図
写真解析結果
レーザー計測結果
4
2
0
- 38 -
CASE19-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
250. 96
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
150. 53
18. 05
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
53. 70
-13. 67
水温
[°C]
4. 50
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
7. 30
-7. 35
0. 25
写真解析
3. 48
0. 07
2. 10
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 39 -
CASE19-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
246. 24
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
150. 90
17. 28
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
56. 03
-14. 17
水温
[°C]
3. 83
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
6. 53
-7. 42
0. 38
写真解析
3. 48
-0. 47
2. 54
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
CASE07 と粒子径がほぼ同じで流量が少ない．
平板下部（鳥瞰図の向かって左）から中心部は透明で粒状の氷が，上部は霜のような氷が放射状に付着
している．
- 40 -
CASE20：空気圧 0. 21MPa，水圧 0. 15MPa，粒子径（液浸）40. 7µm
CASE20-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
223. 07
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
149. 96
15. 95
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
63. 04
-14. 33
水温
[°C]
4. 33
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
2. 89
-2. 41
0. 31
写真解析
2. 73
-0. 24
2. 13
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 41 -
CASE20-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
204. 35
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
149. 67
14. 75
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
80. 12
-14. 17
水温
[°C]
5. 67
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
4. 84
-2. 74
0. 32
写真解析
2. 47
0. 08
1. 77
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 42 -
CASE20-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
207. 36
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
152. 71
水量
[mL/min]
13. 62
庫内温度
[°C]
81. 52
-13. 17
水温
[°C]
3. 83
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
4. 49
-2. 35
0. 35
写真解析
2. 58
0. 00
1. 92
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
透明で粒状の着氷である．下にやや垂れる．
- 43 -
CASE23：空気圧 0. 20MPa，水圧 0. 10MPa，粒子径（液浸）32. 2µm
CASE23-1
噴霧・温度データ（平均値，( )内は目測値）
空気圧
[MPa]
(199. 2)
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
(99. 7)
(16. 4)
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
(36. 5)
-15. 67
水温
[°C]
5. 17
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
3. 91
-3. 95
0. 59
写真解析
3. 03
-0. 19
2. 28
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 44 -
CASE23-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
195. 68
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
102. 09
15. 88
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
40. 45
-13. 67
水温
[°C]
4. 00
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
7. 02
-6. 72
0. 36
写真解析
2. 43
-0. 16
1. 67
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 45 -
CASE23-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
198. 92
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
99. 88
15. 71
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
37. 23
水温
[°C]
-12. 83
5. 67
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
6. 35
-6. 11
0. 46
写真解析
2. 91
-0. 05
2. 03
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
CASE07，19 と粒子径がほぼ同じである．水量は今回の 9 ケースで最も少ない．
噴霧が衝突する平板中心部は水っぽいが，端の方は白く着氷している．
- 46 -
CASE24：空気圧 0. 17MPa，水圧 0. 10MPa，粒子径（液浸）39. 5µm
CASE24-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
171. 48
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
104. 49
14. 73
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
49. 07
-16. 83
水温
[°C]
5. 50
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
3. 19
-2. 29
0. 36
写真解析
1. 95
-0. 28
1. 49
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 47 -
CASE24-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
173. 99
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
102. 00
14. 14
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
49. 49
-14. 83
水温
[°C]
4. 50
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
5. 89
-6. 43
0. 47
写真解析
2. 71
-0. 13
1. 51
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 48 -
CASE24-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
174. 80
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
100. 58
13. 60
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
48. 67
-13. 67
水温
[°C]
6. 00
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
6. 98
-5. 00
0. 44
写真解析
2. 30
-0. 46
1. 50
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
CASE23 と似ているが流量と粒子径は大きく，厚みは小さい．
- 49 -
CASE25：空気圧 0. 15MPa，水圧 0. 10MPa，粒子径（液浸）50. 2µm
CASE25-1
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
151. 17
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
102. 04
13. 32
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
63. 31
-16. 50
水温
[°C]
5. 17
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
3. 90
-2. 01
0. 23
写真解析
2. 05
-0. 19
1. 40
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
レーザー計測結果
- 50 -
CASE25-2
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
154. 77
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
102. 12
12. 46
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
63. 93
-14. 83
水温
[°C]
4. 00
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
4. 28
-2. 95
0. 31
写真解析
1. 59
-0. 08
1. 15
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
- 51 -
CASE25-3
噴霧・温度データ（平均値）
空気圧
[MPa]
161. 80
水圧
[MPa]
空気流量
[L/min]
104. 28
12. 23
水量
[mL/min]
庫内温度
[°C]
61. 29
-14. 00
水温
[°C]
4. 67
着氷厚み[mm]
最大値
最小値
平均値
レーザー計測
4. 44
-3. 32
0. 34
写真解析
2. 49
0. 21
1. 94
鳥瞰図
上面図
4
2
0
側面図
写真解析結果
水量がほぼ同じ CASE20 と比べ，薄く水っぽい着氷である．
- 52 -
3. 6
考察
3. 6. 1
粒子径と流量による着氷形状の違い
最も形状に影響するのは粒子径である．粒子が小さいと白く厚い霜状になるが，これは衝突した瞬間
に凍結し微小な氷が空気を含みながら積み重なっているものである．また粒子が小さいと平板を逸れた
後浮遊できる時間も長くなる．したがって，氷層を厚くした原因が冷凍庫内部の対流によって平板に再
付着した浮遊粒子である可能性は非常に大きい．下へ向かって厚くなるのもこのためと考えられる．
粒子径が大きいケースでは透明で薄い粒状の氷を形成する．これは，径が大きいと衝突から凍結まで
の時間が長くなるため，ランバック現象のような過程を辿りこのような形状になったものと考えられる．
流量は大きいほど厚くなる傾向があるが，粒子径に比べると着氷形状に対する影響は小さい．
3. 6. 2
レーザー計測結果と写真解析結果のずれ
レーザー計測結果を平均値で比較すると，CASE4，CASE8 以外は接触計測より大幅に小さい．これ
はレーザー計測の特性によるものと考えられる．レーザー変位計は反射光を利用して表面形状を計測す
るため，レーザーが透過してしまう透明な物体の計測は不得手である．したがって白く不透明な CASE4
と CASE8 を除きこのような結果になった．
写真解析は平板上部から撮影した写真を用いて行ったため，最も厚い下部に焦点が合わず接触計測よ
りやや薄い結果となった．特に高低差の大きい CASE4，CASE8 に関しては，写真解析よりレーザー計
測のほうが接触計測に近い結果を出している．
- 53 -
第 4 章 数値解析
4. 1
概要
圧縮性流体解析基盤プログラム UPACS を基に作成した平板着氷プログラムに，粒子径・速度場計測
で得た噴霧データを投入して着氷量を計算し，実験結果と比較する．
4. 2
計算条件
CASE4，CASE8，CASE24 について計算する．
CASE8 を基準とし，CASE8 よりも流量が多い CASE4 と粒子径が大きい CASE24 を比較する．
計算条件を表 4. 1 に示す．
表 4. 1 計算条件
CASE4
CASE8
CASE24
-14
-14
-14
2. 37
2. 21
1. 09
粒子径[µm]
20. 09
20. 39
39. 51
LWC[g/m3]
2. 85
2. 16
3. 26
1,000,000
1,000,000
1,000,000
温度[℃]
速度[m/s]
粒子数[個]
- 54 -
4. 3
計算結果
速度場の計算結果を表 4. 2，着氷量の計算結果を表 4. 3 に示す．
表 4. 2 マッハ数分布
CASE
最大マッハ数
CASE4
0. 0153480
CASE8
0. 0142391
CASE24
0. 0132569
- 55 -
表 4. 3 着氷量計算結果
CASE
CASE4
CASE8
CASE24
MAX
0. 100794[mm]
0. 063936[mm]
0. 119589[mm]
4. 4
考察
実験とは逆に粒子径が大きいほど氷層が厚くなる傾向が見られ，またその厚みも実験と比べると非常
に薄い．これは今回の計算が一様流を想定しており，対流による粒子の再付着がないためと考えられる．
したがって，戸外などほぼ一様流とみなせる環境で着氷実験を行えば計算と同様の結果を得る可能性が
高い．
中心部の氷層が薄いのは，中心部に衝突して凍結する粒子の数より衝突後の空気とともに端に流され
て凍結する粒子の数の方が多いためと考えられる．
- 56 -
第 5 章 結論及び今後の課題
5. 1
平板着氷実験
本研究において，不透明な氷は正確に計測できることが確認できた．透明な氷でも同程度の正確さを
得ることができれば，非接触着氷量計測の足固めとしては十分と考えている．
透明な氷表面を計測するための方法として，これまで蛍光塗料の混入や微小粉末のスプレーなどを行っ
たが成果は芳しくなかった．氷表面の形状を損わずレーザーの透過を防ぐ方法を今後も模索しなくては
ならない．
5. 2
数値解析
実験に近づけるにはノズルの拡散や壁面の影響，内部の対流などを反映した着氷 CFD モデルを作る必
要がある．
5. 3
ダクテッドファン
今年度の平板着氷実験によって非接触着氷量計測の手順を得たため，今後はより航空機エンジンに近
い形状を持つダクテッドファンを用いた着氷実験が予定されている．
- 57 -
参考文献
(1) NASA, “Simulation Tools Model Icing for Aircraft Design” (2011),
<https://spinoff.nasa.gov/Spinoff2011/ps_2.html>, (accessed 2016-3-10).
(2) Langley Flying School, “Meteorology--Part 2 (Active Weather) “(2015),
<http://www.langleyflyingschool.com/Pages/PPL%20GS%20Weather,%20Active.html>,
(accessed 2016-3-10).
(3) AIRCRAFTRECOGNITION. CO. UK, “Aircraft parts” (2014),
<http://aircraftrecognition.co.uk/aircraft_parts.html>, (accessed 2016-3-10).
(4) Linda Conrad, Liza Coe, “NASA Virtual Skies” (2010),
<http://virtualskies.arc.nasa.gov/weather/4.html>, (accessed 2016-3-10).
(5) The Boeing Company, “AERO-Engine power loss in ice crystal conditions” (2008),
<http://www.boeing.com/commercial/aeromagazine/articles/qtr_4_07/article_03_2.html>
(accessed 2016-3-10).
(6) 霧のいけうち，”2 流体ノズル製品カタログ” (2014)，
<http://kirinoikeuchi.co.jp/catalog/img/pdf/catalog_2ryutai.pdf>，(accessed 2016-2-2).
(7) 日本航空宇宙工業会革新航空機技術開発センター，
“航空用エンジンにおけるファンへの着氷低減技
術の研究”
，航空機工業の競争力強化に関する調査研究成果報告書，No.2201 (2011)，
ISSN 1880-3660．
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謝辞
本稿を執筆するにあたり，終始熱心な御指導御鞭撻を賜りました指導教官の野崎理教授に深く感謝申
し上げます．また，テーマ決定から実験指導，論文の助言まで，本研究において様々な御指導御支援を
頂きました宇宙航空研究開発機構の水野拓哉様，鈴木正也様，賀澤順一様，鳥山温美様，ならびに職員
の皆様に厚く御礼申し上げます．あわせて，データ整理など様々な場面で御助力頂きました後輩の波多
野楓華様と野崎研究室の皆様に感謝致します．
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