JP6586830B2 - 流れの可視化方法 - Google Patents

Description

本発明は、流れの可視化方法に関する。

例えば、対象物の周囲の流れを確認する場合に、対象物を模した模型を作成し、この模型の周囲の流れを可視化して測定する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の流れ場測定方法では、風洞内に模型を配置して模型の周囲に流れを形成し、微小粒子を注入して微小粒子の流れを形成する。この流れ場測定方法では、模型に対してレーザ光を照射し、レーザ光を微小粒子によって反射させて、模型の周囲の流れを可視化している。

特開２０１０−６０２９５号公報

模型に対してレーザ光を照射すると、模型の背後に影部が生じてしまい、流れが可視化されない領域が生じる。上記の特許文献１では、模型の一部を透明素材とし、レーザ光を透過させて、模型の背後の領域の微小粒子の検出性を向上させようとしている。しかしながら、特許文献１に記載の技術では、レーザ光が透明素材を透過する際に、レーザ光が減衰してしまい、微小粒子の検出性が低下していた。また、特許文献１の技術では、透明素材と、模型の周囲の流体とにおいて、レーザ光の屈折率が異なるため、レーザ光が屈折して乱反射し、微小粒子を精度良く検出することができなくなる。

本発明は、レーザ光の減衰及び屈折を防止して、模型の背後の領域における微小粒子の検出性を向上することが可能な流れの可視化方法を提供することを目的とする。

本発明の流れの可視化方法は、模型の周囲に微小粒子の流れを生じさせる工程と、模型にレーザ光を照射する工程と、を備え、模型にはスリット状の貫通部が形成されており、レーザ光を照射する工程では、レーザ光を照射してスリット状の貫通部を通過させる。

この流れの可視化方法では、レーザ光が模型のスリット状の貫通部を通過して、模型の背後の領域まで達するので、模型の背後の領域を流れる微小粒子にレーザ光を当てて反射させることができる。これにより、模型の背後の領域における微小粒子の検出性を向上させることができる。また、レーザ光がスリット状の貫通部を通過するので、レーザ光が屈折して乱反射することもない。なお、模型の背後とは、レーザ光を出射する側から見た場合の模型の背後である。

レーザ光を照射する工程では、シート状のレーザ光を照射することが好ましい。このようにシート状のレーザ光を照射することによって、２次元の領域（平面）内について流れを可視化することができる。

また、レーザ光を照射する工程では、スリット状の貫通部の開口幅に沿う方向に対して、シート状のレーザ光の厚み方向が沿うように、レーザ光を照射することが好ましい。これにより、スリット状の貫通部に対して、シート状のレーザ光を好適に通過させることができ、貫通部の周縁部分に当たって反射するレーザ光を減らすことができる。

スリット状の貫通部の開口幅は２ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、貫通部による流れの変動の差を抑制することができ、測定精度の低下を抑えつつ、模型の背後の領域における微小粒子の検出性を向上させることができる。「貫通部による流れの変動の差」とは、貫通部が設けられていない状態（基準）の流れの変動の大きさと、貫通部が設けられている状態の流れの変動の大きさとの差である。

本発明によれば、レーザ光の減衰及び屈折を防止して、模型の背後の領域における微小粒子の検出性を向上させることができる。

実施形態に係る流れの可視化システムを示す概略構成図である。 流れ場に配置される模型を示す斜視図である。 （ａ）は、図２に示す模型の側面図であり、（ｂ）は、模型のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿う断面図である。 スリット幅と流れの変動の大きさとの関係を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図において同一部分又は相当部分には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。

（流れの可視化システム）
まず、流れの可視化方法を行うための流れの可視化システム１について説明する。図１に示される流れの可視化システム１は、対象物である物体周りの流体の速度及び向きを計測するシステムであり、粒子イメージ流速計測法（ＰＩＶ；Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）を用いた計測システムである。粒子イメージ流速計測法では、粒子によって可視化された流れ場のイメージ（流体画像）を取得し、このイメージに基づいて、流体の速度及び向きを解析する。

流れの可視化システム１の説明では、対象物である物体を橋梁として、橋梁を模した模型４周りの空気の流れを計測する場合について説明する。また、図１〜図３において、水平面内において直交する２軸に沿う方向をＸ方向及びＹ方向とし、流体の流れに沿う方向のうち上流側から下流側に向かう方向をＹ方向とする。また、上下方向に沿う方向をＺ方向とする。この流れの可視化システム１の説明では、橋梁の長手方向と交差する平面内（ＹＺ面内）の流れを計測する場合について説明する。

流れの可視化システム１は、風洞実験室内に空気（流体）の流れを発生させる送風部２と、空気の流れ方向において上流側に配置された粒子供給部３と、模型４に対してレーザ光を照射するレーザ照射装置５と、流れ場を撮影するカメラ（撮像装置、流体画像取得部）６と、カメラ６によって取得された画像を解析して、気流の速度及び向きを解析する解析部７と、を備えている。

送風部２は、例えばブロアやファンなど、空気を送風可能なものである。粒子供給部３は、微小粒子（トレーサ粒子）としてオイルミストを発生させるものである。粒子供給部３は、流れ場に微小粒子を注入する複数のノズルを備え、これらの複数のノズルは上下方向に並んで配置されている。微小粒子の平均粒子径は例えば１μｍ程度である。

レーザ照射装置５は、例えばＹＡＧレーザを出射するものである。また、レーザ照射装置５は、出射されるレーザ光の形状を調整可能な調整部（例えばシリンドリカルレンズなど）を備え、例えばシート状のレーザ光（レーザシート）を出射する。

カメラ６は、例えば高速度ビデオカメラであり、模型４の周囲の測定領域内の微小粒子の流れを撮影可能なものであればよい。カメラ６によって取得された画像データは、解析部７に出力される。解析部７は、演算処理を行うＣＰＵを備え、カメラ６から出力された画像データを解析して、微小粒子の速度及び移動の向きを演算することで、模型４の周囲の気流の速度及び向きを算出する。

図２は、流れ場に配置される模型を示す斜視図である。図３の（ａ）は、図２に示す模型の側面図であり、図３の（ｂ）は、模型のＩＩＩｂ−ＩＩＩｂ線に沿う断面図である。模型４は、対象物である橋梁を模したものであり、断面が矩形である長尺の物体である。例えば、模型４の寸法に関し、長手方向に沿う第１方向Ｌ１の長さＬａ（橋梁模型の有効長に対応する長さ）は６００ｍｍであり、第１方向Ｌ１に直交する第２方向Ｌ２の長さＬｂ（橋梁模型の幅に対応する長さ）は１００ｍｍであり、第１方向Ｌ１及び第２方向Ｌ２に直交する第３方向Ｌ３の長さＬｃ（橋梁模型の高さ方向に対応する長さ）は１００ｍｍである。

また、模型４には、レーザ光を透過させるための貫通部であるスリット８が形成されている。スリット８は、計測の対象となる２次元の領域に沿うように形成されている。模型４では、第１方向Ｌ１に直交する面に沿ってスリット８が形成されている。また、スリット８は、第１方向Ｌ１の中央に配置されている。模型４は、第１方向Ｌ１において、スリット８を挟んで、一方に配置された第１の本体部９と、他方に配置された第２の本体部１０とを備えている。第１の本体部９と第２の本体部１０とは、連結部１１を介して連結されている。連結部１１は、例えば、第２方向Ｌ２及び第３方向Ｌ３において中央に配置され、第１方向Ｌ１に交差する断面において矩形状を成している。連結部の数量は複数でもよく、連結部の形状は矩形状に限定されず、中央以外の位置に連結部を配置してもよい。

模型４を第１の本体部９と第２の本体部１０とに分割して製作したものを、連結部１１を介して接続することで、スリット８が形成されている。模型４の材質は、特に限定されず、木材、樹脂又は金属でもよい。スリット８は、第１の本体部９と第２の本体部１０との間の隙間であり、模型４に対して切削加工を行うことにより形成されたものでもよく、その他の加工方法により形成されたものでもよい。また、第１の本体部９と第２の本体部１０とを接近させて配置することで、スリット８を形成してもよく、この場合には連結部１１は不要となる。スリット８の幅Ｌｄ（第１方向Ｌ１に沿う長さ）は、例えば２ｍｍである。

（流れの可視化方法）
次に、流れの可視化方法について説明する。流れの可視化方法は、模型４の周囲に微小粒子の流れを生じさせる工程と、模型４にレーザ光を照射する工程と、を含む。

まず、流れの可視化方法では、スリット８が形成された模型４を準備する。模型４は、風洞実験室内において、模型４の第１方向Ｌ１がＸ方向に沿って、模型４の第２方向Ｌ２がＹ方向に沿って、模型４の第３方向Ｌ３がＺ方向に沿って配置される。この場合、スリット８は、ＹＺ平面に沿って配置される。なお、模型４の配置は、流れに対して任意の向きに配置してもよい。測定の状況に応じて、模型４に対する流体の向きを設定する。模型４は、例えば、天井から吊り下げられて設置されている。模型４は、下方から支持されて設置されていてもよく、その他の方法により支持されていてもよい。

流れの可視化方法では、風洞実験室内において模型４の上流に粒子供給部３を配置する。粒子供給部３の複数のノズルは、模型４のスリット８に対応する位置に配置される。具体的には、Ｘ方向において、スリット８の位置に一致するように、粒子供給部３の複数のノズルを配置する。Ｚ方向において、模型４よりも下方の位置から、模型４よりも上方の位置まで、複数のノズルを配置する。

流れの可視化方法では、風洞実験室内において模型４の下流にレーザ照射装置５を配置する。レーザ照射装置５は、模型４のスリット８に対応する位置に配置される。具体的には、Ｘ方向において、スリット８の位置に一致するように、レーザ照射装置５を配置する。そして、スリット８の開口幅に沿う方向（第１方向Ｌ１）に対して、シート状のレーザ光の厚み方向が沿うように、レーザ光を出射する。また、シート状のレーザ光の厚みは、スリット８に対応する位置において、スリット８の幅Ｌｄと一致していることが好ましい。例えば、スリット８の幅Ｌｄが２ｍｍである場合には、スリット８に対応する位置において、シート状のレーザ光の厚みを２ｍｍとすることが好ましい。

また、流れの可視化方法では風洞実験室内にカメラ６を配置する。例えば、Ｘ方向の外側から、模型４の周りの領域を撮影する。また、複数のカメラ６を異なる位置に配置してもよい。

これらの各機器（粒子供給部３、模型４、レーザ照射装置５、カメラ６）を配置した後に、送風部２であるファンを駆動して、風洞実験室内に気流を発生させる。空気の流速は、状況に応じて適宜設定される。次に、粒子供給部３によって、流れ場に対して微小粒子を注入する。微小粒子は空気と共に流され、模型４の周囲に微小粒子の流れが生じる（微小粒子の流れを生じさせる工程）。

次に、レーザ照射装置５からシート状のレーザ光を照射する。レーザ照射装置５から出射されたシート状のレーザ光は、スリット８を通って模型を貫通するように進行する。シート状のレーザ光は、スリット８を含む平面に沿うように広がり、この平面内を流れる微小粒子に当たって反射する。スリット８を通過したレーザ光は、模型４の背後の領域に達し、模型４の背後の領域を流れる微小粒子を照らす。

次に、レーザ光によって照らされた微小粒子をカメラ６で撮影し、微小粒子によって可視化された流れ場のイメージを取得する。カメラ６で撮像された画像情報は、解析部７で解析されて、気流の速度及び向きが算出される。

このような流れの可視化方法によれば、レーザ光が模型４のスリット８を通過して、模型４の背後の領域まで達するので、模型４の背後の領域を流れる微小粒子にレーザ光を当てて反射させることができる。これにより、模型４の背後の領域における微小粒子の検出性を向上させることができる。また、レーザ光がスリット８を通過するので、レーザ光が屈折して乱反射することもない。その結果、模型４の背後の領域において、微小粒子が検出されやすくなる。

この流れの可視化方法では、スリット８の開口幅に沿う方向に対して、シート状のレーザ光の厚み方向が沿うように、レーザ光を照射するので、スリット８に対して、シート状のレーザ光を好適に通過させることができる。これにより、スリット８の周縁部分に当たって反射するレーザ光を減らすことができる。

また、流れの可視化方法では、スリット８の幅Ｌｄ（＝２ｍｍ）が模型４の第２方向Ｌ２の長さＬｂ（＝１００ｍｍ）に対して２％以下の長さであり、スリット８による流れの変動を抑制することができ、測定精度の低下を抑えつつ、模型４の背後の領域における微小粒子の検出性を向上させることができる。

次に、模型４に形成されたスリット８の幅Ｌｄと、模型４の背後の領域における流れの変動の大きさとの関係について説明する。

上記の流れの可視化システム１を用いて、流れの可視化方法を実行し、スリット８の幅Ｌｄの寸法を変えて実験を行った。ここでは、１ｍ／ｓの空気流を発生させて、流れを可視化した。模型４は、スリット８の寸法を除き、上記と同じものであり、第１方向Ｌ１の長さＬａを６００ｍｍとし、第２方向Ｌ２の長さＬｂを１００ｍｍとし、第３方向Ｌ３の長さＬｃを１００ｍｍとした。

そして、スリット８の幅Ｌｄを１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍとして、模型４の背後の領域における流れの変動の大きさについて測定した。このとき、スリット８が形成されていない模型について、模型４の背後の領域における流れについて測定を行い、この測定結果を基準とした。

可視化システム１として、ＰＩＶ計測システム（西華産業社製）を使用した。ＰＩＶ計測システムの概要及び計測条件は以下の通りであった。

レーザ照射装置５としては、高繰り返しダブルパルスＹＡＧレーザを出射する装置を用いた。レーザ光の波長は５３２ｎｍ、平均出力は５０Ｗ、パルスエネルギは１ｋＨｚにおいて１５ｍＪであった。

粒子供給部３としては、シーディング装置（モデルＰＩＶＰａｒｔ１４）を使用した。差圧駆動式であり、５０６．６ｋＰａ以上８１０．６ｋＰａ（５ａｔｍ以上８ａｔｍ以下）の空気源を使用して微小粒子を供給した。微小粒子の粒径が約１μｍとなるように、専用オイルＤＥＨＳ（Di（2-ethylhexyl）sebacate）を用いた。

カメラ６として、高速度ビデオカメラ（フォトロン社製モデルＳＡ−５）を用いた。高速度ビデオカメラはＣ−ＭＯＳセンサを搭載し、解像度は１０２４ｐｉｘ．×１０２４ｐｉｘ．であり、最高撮影速度は７０００ｆｐｓであった。解析部７としては、制御解析ソフトウエア（Koncerto３Ｄ−Ｆ４）を搭載した計算機を用いた。

計測条件を、１ｋＨｚ×１０，０００ｆｒａｍｅ＠１０２４ｐｉｘ．×１０２４ｐｉｘ．，０．２７２ｍｍ／ｐｉｘ．とした。
また、流速ベクトルの算出点数を６３×６３（３２ｐｉｘ．×３２ｐｉｘ．の検査領域単位、オーバーラップ５０％）とした。

このときの測定結果を図４のグラフに示す。図４はスリット８の幅Ｌｄと、流れの変動の大きさとの関係を示すグラフであり、横軸にスリット８の幅Ｌｄを示し、縦軸に流れの変動の大きさを示している。流れの変動の大きさは、スリットが無い場合（Ｌｄ＝０）が最も大きく、スリット８の幅Ｌｄが１ｍｍである場合には、スリットが無い場合（基準）と比較してやや小さくなる。スリット８の幅Ｌｄが２ｍｍを超えると、流れの変動の大きさは、徐々に減少し、スリット８の幅Ｌｄが５ｍｍである場合には、流れの変動の大きさは、大幅に減少する。

スリット８の幅Ｌｄが１ｍｍ、２ｍｍである場合には、基準と比較して流れの変動の差は小さいものであったが、スリット８の幅Ｌｄが２ｍｍを超えると、流れの変動の差が徐々に大きくなり、スリット８の幅Ｌｄが５ｍｍである場合には、流れの変動の差は一層大きくなった。

模型４の第１方向Ｌ１に沿う長さＬａは１００ｍｍであり、スリット８の幅Ｌｄが２ｍｍの場合には、幅Ｌｄは、模型４の第１方向（長手方向）Ｌ１に直交する方向である第２方向Ｌ２に沿う長さＬｂの２％（＝（Ｌｄ／Ｌｂ）×１００％）となる。スリット８の幅Ｌｄが、模型４の第１方向Ｌ１に沿う長さＬｂの２％以下である場合に、模型４の背後の領域において、流れの変動の差が小さく、スリット８を設けたことによる流れへの影響が少なかった。

なお、上記の長手方向は、所定の長さを有する模型において、その長さに沿う方向であり、例えば、模型が橋梁を模したものである場合には、橋梁が延在する方向に沿う方向である。また、長手方向に直交する方向は、長手方向に直交する２方向のうち、平面視において、微小粒子の流れ（試験流体；例えば空気流）に沿う方向とすることができる。また、長手方向に直交する方向は、例えば、平面視において、模型に対してレーザ光が照射される方向としてもよい。

本発明は、前述した実施形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で下記のような種々の変形が可能である。

上記実施形態では、レーザ光を照射する工程において、シート状のレーザ光を照射する場合について説明しているが、レーザ光はシート状のものに限定されず、線状などその他の形状のレーザ光を照射してもよい。

また、上記実施形態では、貫通部の形状をスリット状として説明しているが、貫通部の形状はスリット状に限定されず、湾曲した形状などその他の形状の貫通部としてもよい。

また、上記実施形態では、スリット８の幅Ｌｄと、シート状のレーザ光の厚みとを合わせているが、シート状のレーザ光の厚みは、スリット８の幅Ｌｄよりも小さくてもよく、スリット８の幅Ｌｄよりも大きくてもよい。また、スリット８の幅Ｌｄは、模型４の第２方向Ｌ２の長さＬｂの２％を超える値でもよい。

また、上記実施形態では、レーザ照射装置５を下流から上流に向けてレーザ光を照射しているが、流体の流れ方向において上流から下流に向けてレーザ光を照射してもよく、斜め上方や斜め下方にレーザ光を照射してもよく、その他の方向にレーザ光を照射してもよい。

また、模型の形状は、断面が矩形状のものに限定されず、円形、多角形などその他の断面形状のものでもよい。また、第１方向Ｌ１において、同一の断面形状でなくてもよい。また、模型は橋梁を模したもの限定されず、例えば、翼、飛行体、建物、車両、大型構造物などその他の物体の模型でもよい。

また、模型の長手方向は、模型が移動体である場合には、その移動体の進行方向としてもよく、模型が建物の場合には、例えば高さ方向を長手方向としてもよく、高さ方向よりも水平方向が長い構造物の場合には、水平方向に沿う方向を長手方向としてもよい。また、模型が翼である場合には、例えば翼幅を長手方向としてもよい。また、長手方向に直交する方向は、長手方向に直交する２方向のうち、送風部から模型に向かう方向（微小粒子の流れ方向）でもよく、模型に対してレーザ光が照射される方向とすることができる。

また、流れ場を流れる流体は、空気に限定されず、その他の気体でもよく、液体でもよい。また、微小粒子は、オイルミストに限定されず、例えば粒体などその他の物体でもよい。

また、スリット８は、模型４において、部分的に形成されているものでもよい。例えばＺ方向において、上半分のみに、スリットを形成してもよい。

１ 流れの可視化システム
２ 送風部
３ 粒子供給部
４ 模型
５ レーザ照射装置
６ カメラ
７ 解析部
８ スリット（貫通部）
９ 第１の本体部
１０ 第２の本体部
Ｌ１ 第１方向（模型の長手方向）
Ｌ２ 第２方向（模型の長手方向に直交する方向）
Ｌｂ 模型の第２方向に沿う長さ（模型の長手方向に直交する方向の長さ）
Ｌｄ スリットの幅（貫通部の開口幅）

Claims (4)

1. 模型の周囲に微小粒子の流れを生じさせる工程と、
   前記模型にレーザ光を照射する工程と、を備え、
   前記模型にはスリット状の貫通部が形成されており、
   前記レーザ光を照射する工程では、前記レーザ光を照射して前記スリット状の前記貫通部を通過させる流れの可視化方法。
2. 前記レーザ光を照射する工程では、シート状の前記レーザ光を照射する請求項１に記載の流れの可視化方法。
3. 前記レーザ光を照射する工程では、
   前記スリット状の前記貫通部の開口幅に沿う方向に対して、前記シート状の前記レーザ光の厚み方向が沿うように、前記レーザ光を照射する請求項２に記載の流れの可視化方法。
4. 前記スリット状の前記貫通部の開口幅は２ｍｍ以下である請求項３に記載の流れの可視化方法。

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