流れの中の円柱に加わる力について教えてください。

質問

流れの中に温度計を入れたら折れてしまいました。
現場が混乱しているので、分かる方教えてください。

流れによる力を下記で計算したのですが何か間違いあればご指摘お願いします。

対象流体…機械油
全抗力（受ける力？）D=Cd×ρ×U^2×A/2

<諸元>
円柱はφ10×20なのでCd=0.69

ρ=889kg/m^3

Uは実測できませんがポンプの吐出量100L/minと配管の直径30φなので、
100×10^-3/60[m^3/sec]と配管断面7×10^-4[m^2]より2.38[m/sec]と考えました。

A=2×10^-4[m^2]

以上より
D=0.63N

感覚的には1分間でお風呂が溜まる流量から受ける力としては小さ過ぎると感じてはいました。

回答No.5

lumiheart

＞何か概算でも計算する方法をご存知でしたら教えて頂けたらありがたいです。

多くの初心者は物理計算で答えが出ると思い込んでたりする
でもしかしかーし
物理計算よりも経済学のほーが優先される
分かりやすく言えばコスパで決まる

前回のサイトのエルボが特注で百万円だったとする
回答２さんの事例で百万円ケチった結果、数百億円がオシャカ

1千万の乗用車のラジエータに百万円のエルボって？　＜きっと怒られる
極論の事例を挙げると早い

中くらいの規模で１億円のプラントなら？
エルボに百万円は高価ではあるがぁ
石油化学系プラントで万が一の熱電対折損したら？
損害額は1億円では済まないであろう

では1億円の排水処理設備なら？
まぁ、折損した熱電対が沈殿槽に沈む以上の損害は無いでしょうね
なので、熱電対なんて消耗品扱いでも構わないんでは？
つまり高価なエルボ不要！

で、質問者さんのプラントはどんなヤツ？
まぁ、石油化学プラントをオシャカにしたんなら
ここにノー天気な質問してる余裕なんて無いはずだし

「消耗品です」
って言い切ってしまえば済んでしまえるかも？

お礼

回答ありがとうございます。
確かにコスパですね…何をするにも。
そういう意味ではCAEの局部応力気にしすぎるのもコスパ悪そうですね。

詳細検討する前に、ある程度の当たりつけられる方法があればという感じでした。

私のプラントは…モータ油冷用の温度計です。
と、言っても作業用モータなので被害はほぼ無いです。
首下折れて測温不能に…

回答No.4

hahaha8635

>>聞きかじった限りでは、全抗力Dを質問に記載の式で計算できると教えられました。

ナトリウム事故はそのようになーんも考えずに作られた結果
おきました
考えればすぐわかるのに

流れの裏面には乱流が発生します
いうなれば正圧と負圧
負圧になった時は負圧のほうに熱電対はもっていかれます
正圧になれば元に戻ります
要するに細か振動を片持ち梁で行われます

むろん片持ち梁の集中応力は一回で壊れることはないですが
何万回も繰り返され　繰返し応力が加わると　根元からぽっきり行ってしまいます
管径を太くしても寿命が延びるだけで　いずれは折れます

むろん負圧になった場合　キャビテーションも起きるので
それによるダメージも含まれます

要するに断面が受ける力のせいで折れるのではなく
振動によっておこる繰り返し応力によって折れるだ正解です

エルボ案は一瞬よさそうに思われましたが
複雑な流れでやはり解決してないと思います

解決案１
突き出し量をDと同じにする
3mmの熱電対なら3mmまで突き出す
こうするともはや片持ち梁ではないので折れないです

ただし液中の真ん中の温度ではないですが
そもそも液中の真ん中の温度を測る必要はあるのか
といえば　ないです
どうせどんどん冷えていくので
出口で測ればよいだけになります

案2
CAEをかけ　理想流線形ケースを作り
突き出し量は最低限にする

まあ、折れちゃいました　えへへ　で終わるダメージなら
普通に突き出しておいてもよいです
定期メンテで　交換

もんじゅの場合
放射能漏れが発生するので
絶対にダメです

むろん　えへへ　で済まない場合も対策が必要です

しかもキャビテーションも起る可能性があるので
キャビテーション

お礼

回答ありがとうございます。
圧力変化による繰り返し応力、確かにてけ手計算では難しい感じがします。
応力値が0.2％耐力以下だったり10^7の疲労限界以下だったらと思いましたが、そもそもの応力値も概算で出さないと厄介ですね。
せめて全抗力の何倍（何分の1？）という程度でも出せたらと思いました。
流体シミュレーションの活用を検討してみます。

回答No.3

lumiheart

業界人なら知ってるべき常識

「温度センサはエルボに取り付けねばならない！」

温度センサの選択と設置（2）
https://www.m-system.co.jp/mstoday/plan/mame/b_sensor/9805/index.html

”流れと逆の方向に差し込むのが望ましい設置方法です。”

やさしい言い回しなので
必ずしもそのようにしなければならないわけでもないと
勝手に解釈されやすい

「望ましい」ではなくて
「流れと逆の方向に差し込まなければナラナイ」
と、書くべきでしょう

回答２さんのリンク先は特殊な事例ではない

お礼

ご回答ありがとうございます。

流れに対して垂直に入れた時点でアウトというようにも読めますが、エンジンの冷却水温度センサは流れと垂直に設置されています。
何か概算でも計算する方法をご存知でしたら教えて頂けたらありがたいです。

回答No.2

hahaha8635

計算するまでもなく折れます
http://www.aec.go.jp/jicst/NC/senmon/old/koso/siryo/koso01/siryo07.htm

しかも　流れの反対側は乱流が発生するので
計算できません

計算したければCAEを使いましょう

お礼

ご回答ありがとうございます。
聞きかじった限りでは、全抗力Dを質問に記載の式で計算できると教えられました。
『計算するまでもなく』という事は取付け方法によらず、『円筒』という形状、径と長さから確実に何かの閾値を超えるのでしょうか？

通常の力学的応力に対してはCAEを回さずとも、片持ち梁で概算応力が検討しておりますが、流体では『概算』というのは難しいでしょうか？

回答No.1

chachaboxx

流体中の抵抗体が受ける力は、単に流体の圧力だけではないと思います。

流体や流速、管強度にもよりますが、高周波振動(キャビテーション)が溶接継手にクラックを発生させることもあります。
応力が集中し疲労破壊が発生するのは強度境界部です。

というか、そもそも流体圧力を受ける位置に温度計を設置しなくても流体温度は測定できると思います。
ストレート継手形状のセンサーもあります。(赤外線式も)

どうしても流体温度を直に測りたいということなら、バイパス経路を設けて流速を下げて温度計(センサー)に力がかからないようにするのがよろしいかと。
かかる力(流速圧力)に耐えるように設計すると、その部分で圧損も発生するので何かと面倒です。

お礼

ご回答ありがとうございます。
流れに対する計算は正しいけれど、他にも検討すべき要素があるという事ですね。
流れによる力は意外と小さいものなのですね。

速い流れに晒さなくても良い構造も考えてみます。
報告書の参考にさせて頂きます。
ありがとうございました。