Numerical investigation of accuracy of conductance-typed wire-mesh sensor using CFD and electrostatic simulations

CFDと静電場シミュレーションを用いたコンダクタンス型ワイヤメッシュセンサの正確性の検討

上澤 伸一郎  ; 小野 綾子 ; 山下 晋   ; 吉田 啓之  

Uesawa, Shinichiro; Ono, Ayako; Yamashita, Susumu; Yoshida, Hiroyuki

電極間の気相と液相の導電率の違いを利用したコンダクタンス型ワイヤメッシュセンサ(WMS)は、流路断面ボイド率分布を測定する有効な手法の一つである。本研究では、WMSの計測誤差を明らかにするために、単一球形気泡と気泡流についてWMS周りにおける数値流体力学(CFD)解析と静電場解析を実施した。単一気泡における解析結果より、WMS周囲の不均一な電流密度分布に基づく計測誤差があることが明らかにされた。ボイド率の瞬時値とWMS信号の関係は、同じ気泡であっても、WMSを通過する気泡の位置に対して一意に決まらず、従来用いられてきたWMS信号からボイド率への変換方法である線形近似やマクスウェルの式とも一致しないことが確認された。気泡流における解析結果より、瞬時ボイド率の定量的な計測は、ボイド率の偏差が0.2程度と大きく、難しいことがわかった。一方、WMS信号を時間平均するとその偏差は減少することが確認された。このように、既存の変換方法を使用したWMSでは時間平均ボイド率を計測できるものの、瞬時ボイド率を定量的に計測することは困難であることがわかった。

A conductance-typed wire-mesh sensor (WMS), utilizing the difference in conductivity between gas and liquid phases between the electrodes, is one of the practical measurement techniques of a cross-sectional void fraction distribution in a flow path. In this study, we performed two-phase computational fluid dynamics (CFD) and electrostatic simulations around a WMS for a single spherical bubble and bubbly flow to clarify the systematic error in the WMS. The results for the single bubble indicated that there were systematic errors based on the non-uniform current density distribution around the WMS. The correlation between instantaneous void fractions and WMS signals is not uniquely determined for positions of the single bubble moving across the WMS, even for the same bubble. Moreover, the correlation between the instantaneous void fractions and the WMS signals did not fit in a linear approximation and Maxwell's equation, which traditionally used transformation methods from the WMS signal to the void fraction. The results for the bubbly flow indicated that the WMS had difficulty in quantitative measurements of the instantaneous void fraction because the values had a significant deviation of the void fraction of approximately 0.2. On the other hand, time-averaged void fraction values had relatively small deviation. Thus, we concluded that the WMS, using existing transformation methods, can measure time-averaged void fractions, but it is difficult to measure quantitatively instantaneous void fractions.