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JPH0338537B2 - - Google Patents
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JPH0338537B2 - - Google Patents

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JPH0338537B2
JPH0338537B2 JP59091093A JP9109384A JPH0338537B2 JP H0338537 B2 JPH0338537 B2 JP H0338537B2 JP 59091093 A JP59091093 A JP 59091093A JP 9109384 A JP9109384 A JP 9109384A JP H0338537 B2 JPH0338537 B2 JP H0338537B2
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flow
light
water tank
particles
concentration
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Toshiaki Hasegawa
Yasuo Hirose
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Nippon Furnace Co Ltd
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Nippon Furnace Co Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01MTESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01M10/00Hydrodynamic testing; Arrangements in or on ship-testing tanks or water tunnels

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  • Fluid Mechanics (AREA)
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  • Aerodynamic Tests, Hydrodynamic Tests, Wind Tunnels, And Water Tanks (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、流れの可視化を図る方法に関する。[Detailed description of the invention] [Purpose of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a method for visualizing a flow.

(従来の技術) 今までの流れの可視化は、比較的低速な定常流
れを対象とすることが多かつたが、最近では、う
ずの生成・消滅などによる周期性のある流れはも
ちろんのこと、運動する物体のまわりの非定常流
れを可視化するとともに、それらの記録から、流
速分布なども計測可能となりつつある。さらに、
可視化法によると、流れ領域全般の模様を直観的
に把握できるばかりでなく、それら全域にわたる
流速分布などを同時測定することができ、もし連
続撮影するならば、速度分布の時間的変化をも知
ることができるので、流れの可視化、特に簡便に
して流れ全域の動向を一目で観察できるトレーサ
法に対する関心は著しく高まつている。
(Prior art) Up until now, flow visualization has often focused on relatively slow, steady flow, but recently, it has become possible to visualize not only periodic flows due to the creation and disappearance of eddies, but also In addition to visualizing unsteady flows around moving objects, it is becoming possible to measure flow velocity distributions from these records. moreover,
With visualization methods, it is not only possible to intuitively understand the overall pattern of the flow area, but also to simultaneously measure the flow velocity distribution over the entire area, and if continuous imaging is used, it is also possible to see temporal changes in the velocity distribution. As a result, interest in flow visualization, particularly in the tracer method, which allows easy observation of trends over the entire flow area at a glance, has increased significantly.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、従来のトレーサ法は、空気泡あ
るいはインク等の染料液若しくはプラスチツクス
等の粉末をトレーサとして流れの中に投入し、そ
の動きを利用して流れを可視化するものであるこ
とから、トレーサの動きを観察し得る範囲におい
てのみ定性的情報が得られるものである。例えば
染料液トレーサ法は観測窓を汚し易い上に染料液
が拡散し易いために流速1m/s以下の層流に限
定されるし、粉末トレーサ法は長時間安定供給す
るための大量のトレーサを準備したりトレーサを
分離・捕集する装置が必要なためにコスト高とな
る欠点を夫々有し、且ついずれも複雑な流れは視
認できなかつた。また、空気泡を用いたトレーサ
法にあつては、微細でかつ均質な気泡を大量かつ
密に安定供給する手段が存在しなかつたため、大
量に気泡を得ようとしても不均質な気泡しか得ら
れずに比重差に因る誤差が大きく定量的な解析に
は利用できないし、気泡には流れの旋回時に中心
へ集まる求心性があるため旋回を伴なう流れ場に
は正確な追跡ができない欠点がある。
(Problem to be solved by the invention) However, in the conventional tracer method, air bubbles, dye liquid such as ink, or powder such as plastics are injected into the flow as a tracer, and the flow is visualized using the movement. Therefore, qualitative information can only be obtained within the range in which the movement of the tracer can be observed. For example, the dye liquid tracer method is limited to a laminar flow with a flow rate of 1 m/s or less because it tends to stain the observation window and the dye liquid tends to diffuse, and the powder tracer method requires a large amount of tracer to be stably supplied over a long period of time. Each method has the disadvantage of high costs because it requires equipment for preparation and separation and collection of tracers, and in each case, complex flows cannot be visually recognized. In addition, in the tracer method using air bubbles, there was no means to stably supply a large amount of fine and homogeneous air bubbles in a dense manner, so even if you tried to obtain a large amount of air bubbles, you could only obtain heterogeneous air bubbles. However, it cannot be used for quantitative analysis due to large errors due to differences in specific gravity, and bubbles have a centripetal property that gathers at the center when the flow swirls, so it is not possible to accurately track flow fields that involve swirling. There is.

斯様に、従来のトレーサ法にあつては、異物た
るトレーサの動きによつてのみ流れを可視化する
ため、複雑な流れや任意断面における流れの可視
化を実現することができず、定性的ないし半定量
的情報を提供するにしか過ぎない。
In this way, in the conventional tracer method, the flow is visualized only by the movement of the tracer, which is a foreign object, so it is not possible to realize the visualization of complex flows or flows in arbitrary cross sections, and it is difficult to visualize the flow qualitatively or partially. It only provides quantitative information.

本発明は、上述のトレーサ法を改善し、定性的
な情報は勿論のこと、濃度場や速度場等の定量的
情報をも検出し得る流れの可視化方法を提供する
ことを目的とする。
The present invention aims to improve the above-described tracer method and provide a flow visualization method that can detect not only qualitative information but also quantitative information such as concentration fields and velocity fields.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 斯かる目的を達成するため、本発明は、コロイ
ド粒子を含み均一な濃度のコロイド溶液で透明な
モデル水槽内に流れ場を形成し、この流れ場に照
射したスリツト光を前記コロイド粒子で散乱させ
ることにより任意断面における流れを可視化する
一方、光の強さを検出する光検出手段によつて前
記散乱光の強さを定量的に測定することを特徴と
する流れの可視化方法である。
[Structure of the Invention] (Means for Solving the Problems) In order to achieve the above object, the present invention forms a flow field in a transparent model aquarium with a colloid solution containing colloid particles and having a uniform concentration. The flow in an arbitrary cross section is visualized by scattering the slit light irradiated onto the flow field by the colloid particles, and the intensity of the scattered light is quantitatively measured by a light detection means that detects the intensity of the light. This is a flow visualization method characterized by the following.

(作用) モデル水槽内にはコロイド粒子を含み均一な濃
度のコロイド溶液で流れ場が形成されており、こ
の流れ場にスリツト光を照射するとスリツト光が
前記コロイド粒子で散乱するため、散乱光の強弱
によつて任意断面における流れ状態を目視観察で
きる。
(Function) A flow field is formed in the model water tank by a colloid solution containing colloid particles and a uniform concentration. When this flow field is irradiated with slit light, the slit light is scattered by the colloid particles, so the scattered light is The flow state in any cross section can be visually observed depending on the strength and weakness.

更に、光の強さを検出する光検出手段によつて
前記散乱光の強さを定量的に測定することによ
り、流れの外から非接触下に濃度場、速度場及び
それらの変動等を定量的に測定できる。
Furthermore, by quantitatively measuring the intensity of the scattered light using a light detection means that detects the intensity of light, the concentration field, velocity field, and their fluctuations can be quantified from outside the flow without contact. Can be measured accurately.

(実施例) 以下本発明の構成を図面に示す一実施例に基づ
いて詳細に説明する。
(Example) The configuration of the present invention will be described in detail below based on an example shown in the drawings.

第1図に本発明の流れの可視化方法を実施する
可視化装置を概略図で示す。該可視化装置は、可
視化しようとする流れ場を再現するモデル水槽
(以下水槽と略称する)1と、この水槽1にコロ
イド粒子4を混入させた液体・コロイド溶液を例
えば底面から供給する流体供給ユニツト2及び水
槽1内の流れ場に局所的な光5を照射するスリツ
ト光源3とから主に構成されている。この可視化
装置において、水槽1の底面から流入したコロイ
ド溶液は、水槽1内において流れ場を再現したの
ち水槽1の上方の排水口6から図示しない配水管
を通じて排水される。コロイド溶液は、通常その
ままの状態であるいは必要な処理を施した後排水
されるが、流体供給ユニツト2へ循環させて再度
使用することも可能である。尚、コロイド溶液を
水槽1の上方から導入し底面から排水すること
も、また側面から導入することも可能である。
FIG. 1 schematically shows a visualization device that implements the flow visualization method of the present invention. The visualization device includes a model water tank (hereinafter referred to as water tank) 1 that reproduces a flow field to be visualized, and a fluid supply unit that supplies a liquid/colloid solution mixed with colloid particles 4 to this water tank 1, for example, from the bottom. 2 and a slit light source 3 that irradiates a localized light 5 onto the flow field within the water tank 1. In this visualization device, the colloidal solution that flows in from the bottom of the water tank 1 reproduces a flow field within the water tank 1 and is then drained from the drain port 6 above the water tank 1 through a water pipe (not shown). The colloidal solution is normally drained as is or after being subjected to necessary treatment, but it is also possible to circulate it to the fluid supply unit 2 and use it again. The colloidal solution can be introduced from above the water tank 1 and drained from the bottom, or it can be introduced from the side.

前記水槽1は、本実施例の場合、第2図に示す
ように、アクリル樹脂やガラス等の透光性材料に
よつて横断面方形の角筒形に形成されており、上
方に排水口6を底面に噴射口7を有する。この水
槽1は、ノズルやバーナ等の水流モデルの場合に
は流れ場を形成するための容器に過ぎないが、管
内の流体の流れを可視化する場合等にはそれ自体
がモデルとして使用される。したがつて、水槽1
の形状は図示されているものに限られず、円筒や
エルボ管形等の必要に応じた種々の形状を採り得
る。また、水槽底面の噴射口7には観察しようと
する流れ場を再現するモデル例えばノズルモデル
やバーナモデル8等が一般に取付けられる。もつ
とも、モデルを噴射口7から離して水槽1内に設
置し、噴射口7においては何ら流れに変化を与え
ない場合もある。本実施例の場合、バーナノズル
モデル8とバーナタイルモデル9とが設置され、
燃料と空気の混合状態、その割合などを測定する
ため、バーナノズルモデル8からはコロイド粒子
4を含む流体(燃料に相当する)を噴射させると
共にその周囲からはコロイド粒子が混入されてい
ない流体(二次空気に相当する)を噴射させてバ
ーナタイルモデル9内で両者を混合させるように
設けられている。勿論、この噴射口7の個数及び
位置は図示のものに限られない。例えば、フアー
ネスに複数のバーナを設置する場合の水流モデル
のときにはバーナの配置状態が熱分布に与える影
響を水流モデルを使用して観察する場合があるか
らである。尚、本実施例の水槽1は周壁全面を透
光性材料で形成していることから、観察者ないし
観察機器に対向する面が観察窓10に相当し、ス
リツト光源3に対向する面が入射光窓11に相当
する。しかし、水槽1は全周壁面を透光性材料で
形成する必要はなく、少なくとも観察窓10と入
射光窓11がそうであれば足りる。この観察窓1
0と入射光窓11は、スリツト光5の入射方向と
90〜145度の角度θの位置で最適の乱反射が得ら
れることからその範囲に位置させておけば良く、
水槽1を円筒型に形成する場合には周壁の90〜
145度の範囲を透孔材料で形成することにより変
えることができる。尚、観察窓10と入射光窓1
1を除く他の周壁面(底面を含む)を光吸収体で
形成すれば、観察室内の照明を落とさずともコロ
イド粒子4のみが散乱光によつて目立つので観察
が容易である。ここで、光吸収体とは水槽1の内
面のみを黒色に着色したものでも良い。更に、流
れ場の状態を流れ方向と直交する面即ち輪切りに
して観察する場合には、流れ場を横切るスリツト
光5に対して90〜145度の範囲とは水槽1の天
井・上方となる。したがつて、この場合には水槽
1の上方に観察者ないし観察機器を配置する。
In the case of this embodiment, as shown in FIG. 2, the water tank 1 is made of a translucent material such as acrylic resin or glass and is formed into a rectangular cylinder shape with a square cross section, and has a drain port 6 at the top. It has an injection port 7 on the bottom surface. This water tank 1 is only a container for forming a flow field in the case of a water flow model such as a nozzle or a burner, but it is used as a model in itself when visualizing the flow of fluid in a pipe. Therefore, aquarium 1
The shape is not limited to that shown in the drawings, and can take various shapes depending on needs, such as a cylinder or an elbow shape. Further, a model, such as a nozzle model or a burner model 8, which reproduces the flow field to be observed is generally attached to the injection port 7 on the bottom of the water tank. However, there are cases in which the model is placed in the aquarium 1 away from the injection port 7 and no change is made to the flow at the injection port 7. In the case of this embodiment, a burner nozzle model 8 and a burner tile model 9 are installed,
In order to measure the mixing state and ratio of fuel and air, a fluid containing colloidal particles 4 (corresponding to fuel) is injected from the burner nozzle model 8, and a fluid containing no colloidal particles (corresponding to fuel) is injected from the burner nozzle model 8. The burner tile model 9 is provided so as to mix the two in the burner tile model 9 by injecting secondary air (corresponding to secondary air). Of course, the number and position of the injection ports 7 are not limited to those shown. For example, when a water flow model is used when a plurality of burners are installed in a furnace, the effect of burner arrangement on heat distribution may be observed using the water flow model. In addition, since the entire peripheral wall of the water tank 1 of this embodiment is formed of a transparent material, the surface facing the observer or observation equipment corresponds to the observation window 10, and the surface facing the slit light source 3 corresponds to the incident light source. This corresponds to the optical window 11. However, the entire circumferential wall of the aquarium 1 does not need to be made of a translucent material, and it is sufficient that at least the observation window 10 and the incident light window 11 are made of a transparent material. This observation window 1
0 and the incident light window 11 are in the same direction as the incident direction of the slit light 5.
The optimal diffused reflection can be obtained at an angle θ between 90 and 145 degrees, so it is best to position it within that range.
If the water tank 1 is formed into a cylindrical shape, the circumferential wall should be
The range of 145 degrees can be changed by forming it with a perforated material. Note that the observation window 10 and the incident light window 1
If the peripheral wall surfaces other than 1 (including the bottom surface) are formed of light absorbers, observation can be facilitated because only the colloidal particles 4 stand out due to scattered light without turning off the illumination in the observation chamber. Here, the light absorber may be one in which only the inner surface of the aquarium 1 is colored black. Further, when observing the state of the flow field in a plane orthogonal to the flow direction, that is, in slices, the range of 90 to 145 degrees with respect to the slit light 5 crossing the flow field corresponds to the ceiling and upper side of the aquarium 1. Therefore, in this case, an observer or observation equipment is placed above the aquarium 1.

前述の水槽1にコロイド溶液を供給するコロイ
ド溶液供給ユニツト2は、流体供給源(図示省
略)と水槽1とを結ぶ管路12の途中にコロイド
粒子注入部13を設け、圧送途中の流体にコロイ
ド粒子4を定量的に強制注入することによつて一
定濃度のコロイド溶液として供給するものであ
る。勿論供給ユニツト2は前述のものに限定され
ない。例えば、あらかじめ低濃度に調整されたコ
ロイド溶液をタンクに貯留し、これを定量ポンプ
で取り出し水槽1に圧送するようにしても良い。
The colloidal solution supply unit 2 that supplies the colloidal solution to the water tank 1 described above is provided with a colloid particle injection part 13 in the middle of the pipe line 12 that connects the fluid supply source (not shown) and the water tank 1, and injects colloid into the fluid that is being pumped. By forcefully injecting particles 4 quantitatively, a colloidal solution of a constant concentration is supplied. Of course, the supply unit 2 is not limited to the one described above. For example, a colloidal solution adjusted to a low concentration in advance may be stored in a tank and taken out using a metering pump and pumped into the water tank 1.

一般に、コロイドは、直径がほぼ0.1μm〜1μm
の微粒子を含む物質系をいうが、本明細書におい
ては液体の中で漂い容易に沈降しない微粒子を含
む物質系をいうものとする。このコロイド溶液
は、流れ場を形成する液体(分散媒)とトレーサ
として機能するコロイド粒子(分散相)4とから
成り、流れ場の形成に影響をおよばさない範囲に
おいて可能な限りコロイド粒子4が密に存在する
濃度に保たれている。尚、液体としては水を採用
するのが最も一般的であるが、これに限定される
ものではなく、必要に応じて他の液体を採用する
こともある。例えば、入射光の屈折を防ぐため
に、砂糖などを溶かして水槽1と同じ屈折率に調
節された水を使うこともある。
Generally, colloids have a diameter of approximately 0.1 μm to 1 μm.
However, in this specification, it refers to a material system containing fine particles that float in a liquid and do not easily settle. This colloidal solution consists of a liquid (dispersion medium) that forms a flow field and colloidal particles (dispersed phase) 4 that function as tracers, and the colloidal particles 4 are used as much as possible without affecting the formation of the flowfield. It is maintained at a dense concentration. Although water is most commonly used as the liquid, it is not limited to this, and other liquids may be used as necessary. For example, to prevent refraction of incident light, water may be used that has been adjusted to have the same refractive index as water tank 1 by dissolving sugar or the like.

コロイド粒子4としては、直径1μm程度の微
粒子が容易に入手できるMgO、SiO、Al2O3等の
所謂フアインセラミツクスの球状物(固相)や、
極めて微細な乳脂肪球を含む牛乳等(液相)の採
用が好適である。殊に、牛乳は、容易に入手でき
かつ安価で取扱いが容易であると共に高輝度の散
乱光が得られることから最も好ましいコロイド粒
子の一つである。中でも加工乳は、一般に乳脂肪
球が直径2μm以下(1μm未満41.8%、1〜2μm
47.7%)に調整されているため、液体中において
コロイドを形成するに好適である。そこで、本実
施例の場合、加工乳を水に対して0.2%重量部含
ませ親水コロイドを形成させている。
The colloid particles 4 include spherical particles (solid phase) of so-called fine ceramics such as MgO, SiO, Al 2 O 3 , etc., for which fine particles with a diameter of about 1 μm are easily available;
It is preferable to use milk or the like (liquid phase) containing extremely fine milk fat globules. In particular, milk is one of the most preferred colloid particles because it is easily available, inexpensive, easy to handle, and provides high-intensity scattered light. In processed milk, milk fat globules are generally less than 2 μm in diameter (41.8% less than 1 μm, 1-2 μm).
47.7%), making it suitable for forming colloids in liquids. Therefore, in the case of this example, 0.2% by weight of processed milk is included in water to form a hydrophilic colloid.

尚、フアインセラミツクスの微粒子を採用する
場合、牛乳と違つて流れの中に直接注ぎ込むだけ
では直ちにコロイド状態を形成できない。そこ
で、フアインセラミツクスをあらかじめ少量の水
に浸した高濃縮コロイド溶液とも言うべきものを
用意する。この高濃縮コロイド溶液は、例えば、
一定比率の水とフアインセラミツクスの微粒子と
を減圧下のタンク内において攪拌混合し、微粒子
表面に付着している気泡を完全に脱泡させること
によつて作られる。この高濃縮コロイド溶液は、
定量スラリポンプを使つて流体供給ユニツト2に
定量的に供給され、流体供給源から供給される水
と混合されて一定濃度のコロイド溶液を形成す
る。
Note that when fine ceramic particles are used, unlike milk, they cannot immediately form a colloidal state just by pouring them directly into a flow. Therefore, we prepared what can be called a highly concentrated colloidal solution by soaking fine ceramics in a small amount of water in advance. This highly concentrated colloid solution is, for example,
It is produced by stirring and mixing a certain ratio of water and fine ceramic particles in a tank under reduced pressure, and completely defoaming the air bubbles attached to the surface of the particles. This highly concentrated colloid solution is
It is quantitatively supplied to the fluid supply unit 2 using a metering slurry pump and mixed with water supplied from the fluid supply to form a colloidal solution of constant concentration.

水槽1内の流れ場は、スリツト光5に代表され
る局所的な照明によつて、流れの任意の位置を一
平面で断面して可視化し得るように設けられてい
る。スリツト光5は公知のスリツト光源3によつ
てあるいは二次元光学系を使用して拡げることに
よつて簡単に得られる。また、レーザービームを
そのままの状態で高速にオシレートさせることに
より、実質的なスリツト光として得ることも可能
である。
The flow field in the water tank 1 is provided so that an arbitrary position of the flow can be sectioned and visualized in one plane by local illumination represented by a slit light 5. The slit light 5 can be easily obtained by a known slit light source 3 or by expanding it using a two-dimensional optical system. Furthermore, by oscillating the laser beam as it is at high speed, it is also possible to obtain a substantial slit beam.

更に該スリツト光を異なる位置において連続的
に順次瞬間的に発光させることによつて、三次元
可視化を実施する場合もある。スリツト光5は通
常水槽1に対して直角に入射させ、屈折を防止し
ている。しかし、流れ場を形成する水の屈折率
を、砂糖などの屈折率を上げる媒質を入れたり温
度を上げることによつて、水槽1の材質と同じ屈
折率とした場合には、スリツト光5の入射角度は
制限されない。尚、本明細書において、スリツト
光5とは、上述のレーザービームに依る実質的な
スリツト光を含めたものとする。
Furthermore, three-dimensional visualization may be performed by emitting the slit light continuously and instantaneously at different positions. The slit light 5 is normally incident on the water tank 1 at right angles to prevent refraction. However, if the refractive index of the water that forms the flow field is made to be the same as that of the material of the water tank 1 by adding a medium that increases the refractive index such as sugar or increasing the temperature, the slit light 5 The angle of incidence is not limited. In this specification, the slit light 5 includes the substantial slit light generated by the above-mentioned laser beam.

以上のように構成された可視化装置を使つて本
発明の流れの可視化方法をバーナモデルについて
説明する。
The flow visualization method of the present invention will be described with respect to a burner model using the visualization device configured as described above.

まず、水槽1に向けて均質なコロイド粒子4を
密に含む流体・コロイド溶液を必要なだけ安定供
給し槽底の噴射口7から吹き出させて水槽1内に
流れ場を作り出す。コロイド溶液は流れ場を形成
しかつ可視化に好適な濃度にあらかじめ全量調整
されたものか、あるいは流体供給ユニツト2にお
いて圧送中に混合調整されたものが使用される。
次いで、この流れ場にスリツト光5を照射してコ
ロイド粒子4に乱反射させることにより任意断面
における流れを抽出して可視化する。散乱光はス
リツト光5が入射した方向から90〜145°の範囲で
最も良好に検出できるので、その範囲において観
察ないし測定する。この散乱光による可視化は、
流れ場の外輪しか観察できなかつた従来の可視化
方法と異なり、一断面におけるコロイド粒子4の
動きを追跡するため、流れの現象、流れ方向等を
正確に知ることができる。しかも、十分微細でか
つ均質なコロイド粒子4によつて拡散する光の強
度は単位体積中のコロイド粒子個数即ちコロイド
密度に比例すると考えられ、それは拡散光の強度
が濃度に対応することを意味することから、コロ
イド粒子4の粗密に伴う散乱光の強弱によつて流
れの濃度及びその変動をも同時に目視観察でき
る。
First, a necessary amount of a fluid/colloid solution densely containing homogeneous colloidal particles 4 is stably supplied to the water tank 1 and blown out from the injection port 7 at the bottom of the tank to create a flow field in the water tank 1. The colloidal solution used is one that forms a flow field and whose total amount is adjusted in advance to a concentration suitable for visualization, or one that is mixed and adjusted during pumping in the fluid supply unit 2.
Next, this flow field is irradiated with slit light 5 and the colloidal particles 4 diffusely reflect the flow, thereby extracting and visualizing the flow in an arbitrary cross section. Scattered light can best be detected in the range of 90 to 145 degrees from the direction in which the slit light 5 is incident, so it is observed or measured within that range. Visualization using this scattered light is
Unlike conventional visualization methods in which only the outer ring of the flow field can be observed, since the movement of colloidal particles 4 in one cross section is tracked, flow phenomena, flow direction, etc. can be accurately known. Moreover, the intensity of light diffused by sufficiently fine and homogeneous colloidal particles 4 is considered to be proportional to the number of colloidal particles in a unit volume, that is, the colloid density, which means that the intensity of the diffused light corresponds to the concentration. Therefore, the concentration of the flow and its fluctuations can be visually observed at the same time depending on the intensity of the scattered light due to the density of the colloidal particles 4.

また、散乱光の強度及びその変動には液体の濃
度及びその変動等の各種定量的情報を含んでいる
ことから、この散乱光をITVカメラを使つて検
出することによつて各種定量的測定に利用するこ
とも可能である。例えば、スリツト光5がコロイ
ド粒子4の存在によつて乱反射することによつて
可視化された任意のセクシヨンにおける流れ場を
TVカメラ20で撮影し、これを更に必要に応じ
てズームアツプしてモニターテレビ21のブラウ
ン管に映し出し、ブラウン管上に設置したフオト
センサ22(光検出手段に相当する)によつて光
の強弱即ち濃度の粗密を電気的信号に変換してか
ら、これをフイルタ23に通して画面スキヤン信
号を除去した後にトランジエントレコーダ24か
らオシロスコープ25又はXYレコーダ26へ出
力し、測定ないし記録することができる(第4図
参照)。尚、この測定に際しては、測定領域中も
つとも暗い部分でも微小出力例えば3mV程度を
示すように、またもつとも明るい部分が測定レン
ジの最大値近くなるようにモニタの調整を行なう
必要がある。また、測定位置の変更は、ブラウン
管上のフオトセンサ22を移動させるか、あるい
はトラバース(図示省略)にてカメラ20を微動
させることにより行なう。
In addition, since the intensity of the scattered light and its fluctuations contain various quantitative information such as the concentration of the liquid and its fluctuations, it is possible to perform various quantitative measurements by detecting this scattered light using an ITV camera. It is also possible to use For example, the flow field in an arbitrary section visualized by diffusely reflecting the slit light 5 due to the presence of the colloidal particles 4.
A photo is taken by a TV camera 20, zoomed in as necessary, and projected onto a cathode ray tube of a monitor television 21. is converted into an electrical signal, which is passed through a filter 23 to remove screen scan signals, and then output from a transient recorder 24 to an oscilloscope 25 or an XY recorder 26 for measurement or recording (Fig. 4). reference). In this measurement, it is necessary to adjust the monitor so that even the darkest part of the measurement area shows a minute output, for example, about 3 mV, and so that the brightest part is close to the maximum value of the measurement range. The measurement position is changed by moving the photo sensor 22 on the cathode ray tube or by slightly moving the camera 20 during traverse (not shown).

ここで、濃度は、散乱光の明るさの強度と濃度
のレベルとが比例関係にあるという知見、即ち混
合状態にある二流体においてコロイド粒子4を含
まない流体の割合が高くなるにつれて単位体積中
のコロイド粒子量が減少し明るさを失うという知
見に基づき、バーナモデル8の出口の明るさを電
気的に変換して得られる電圧を基準電圧とし(濃
度100%に相当)、この基準電圧で二流体が混合し
ている測定個所の散乱光の明るさから得られる測
定電圧を除することにより求められる。
Here, the concentration is based on the knowledge that there is a proportional relationship between the brightness intensity of scattered light and the concentration level, that is, in two fluids in a mixed state, as the proportion of fluid that does not contain colloid particles 4 increases, Based on the knowledge that the amount of colloidal particles decreases and the brightness is lost, the voltage obtained by electrically converting the brightness at the outlet of burner model 8 is set as the reference voltage (equivalent to 100% concentration), and at this reference voltage It is determined by dividing the measurement voltage obtained from the brightness of scattered light at the measurement point where the two fluids are mixed.

更に、コンピユータを利用してあらかじめ定め
られた測定個所における濃度を測定することによ
り、ある燃焼モデルに従えばこれから求められる
燃料と空気の混合割合から燃焼温度やCO量、O2
量等の分布状態をシユミレートすることもでき
る。
Furthermore, by measuring the concentration at predetermined measurement points using a computer, we can calculate combustion temperature, CO amount, and O 2
It is also possible to simulate the distribution state of the amount, etc.

また、一つのコロイド粒子4を特定してそのコ
ロイド粒子4が所定距離Lを移動する時間を測定
することは事実上不可能であるが、一定濃度のコ
ロイド粒子群が移動する時間は接近する二点のフ
オトセンサにおいて測定する濃度変化の時間的ず
れとして把握することができるとの知見に基づ
き、第5図に示すように前述の濃度測定装置のブ
ラウン管上に更にもう一つのフオトセンサ27を
設け、近接する二つのフオトセンサ22,27間
を移動するコロイド粒子群の移動時間を検出する
ことにより速度を求めることができる。尚、第5
図において、符号28はコンピユータ、29はデ
イスプレイ、30はプリンタである。
Furthermore, although it is virtually impossible to specify one colloidal particle 4 and measure the time it takes for that colloidal particle 4 to move a predetermined distance L, the time it takes for a group of colloidal particles at a certain concentration to move is close to each other. Based on the knowledge that it is possible to grasp the time lag in the concentration change measured by the point photo sensor, another photo sensor 27 is installed on the cathode ray tube of the concentration measuring device described above, as shown in FIG. The velocity can be determined by detecting the travel time of the colloidal particles moving between the two photo sensors 22 and 27. Furthermore, the fifth
In the figure, numeral 28 is a computer, 29 is a display, and 30 is a printer.

[発明の効果] 以上の説明から明らかなように、本発明の流れ
の可視化方法は、コロイド粒子を含み均一な濃度
のコロイド溶液で透明なモデル水槽内に流れ場を
形成し、この流れ場に照射したスリツト光を前記
コロイド粒子で散乱させることにより任意断面に
おける流れを可視化するようにしたので、或る断
面における流れの状態や流れの方向といつた定性
的な観察は勿論のこと、散乱光の強弱から流れ全
域における濃度分布及び変動が一目で観察でき
る。しかも、コロイド粒子は流れ場を形成する液
体に対する追随性に優れると共に流れの旋回時に
求心性を示さないため、回転や渦を伴う流れの正
確な可視化を可能とする。
[Effects of the Invention] As is clear from the above description, the flow visualization method of the present invention involves forming a flow field in a transparent model water tank with a colloid solution containing colloid particles and having a uniform concentration; By scattering the irradiated slit light by the colloidal particles, the flow in any cross section can be visualized, so it is possible to not only qualitatively observe the flow state and flow direction in a certain cross section, but also to observe the scattered light. The concentration distribution and fluctuations throughout the flow can be observed at a glance from the strength and weakness of the flow. In addition, colloidal particles have excellent ability to follow the liquid that forms a flow field, and do not exhibit centripetal behavior when the flow swirls, making it possible to accurately visualize flows that involve rotation or vortices.

また、本発明は、液体中に密に存在するコロイ
ド粒子によつて生ずる散乱光の強さを、光の強さ
を検出する光検出手段によつて定量的に測定し、
流れを可視化するようにしたので、流れ場内のコ
ロイド粒子の分散・集合・移動の状態即ち液体の
濃度、速度及びそれらの変動が散乱光の強度及び
変動として定量的に把握できる。しかも、散乱光
の強度は、単位体積中のコロイド粒子数に比例す
ると考えられ、それは散乱光の明るさの強度が濃
度のレベルに比例することを意味する。したがつ
て、流れの外から光学系を用いて散乱光の強さ及
び変動を検出するため、非接触下に濃度場、速度
場及びそれらの変動等を定量的に測定できるとい
う効果を奏する。
Further, the present invention quantitatively measures the intensity of scattered light generated by colloidal particles densely present in a liquid using a light detection means that detects the intensity of light,
Since the flow is visualized, the states of dispersion, aggregation, and movement of colloidal particles in the flow field, that is, the liquid concentration, velocity, and their fluctuations can be quantitatively understood as the intensity and fluctuations of scattered light. Moreover, the intensity of the scattered light is considered to be proportional to the number of colloidal particles in a unit volume, which means that the intensity of the brightness of the scattered light is proportional to the concentration level. Therefore, since the intensity and fluctuations of scattered light are detected using an optical system from outside the flow, it is possible to quantitatively measure the concentration field, velocity field, fluctuations thereof, etc. without contact.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は本発明の流れの可視化方法を実施する
可視化装置の概略図、第2図はモデル水槽の横断
平面図、第3図は可視化された流れ場を示す説明
図、第4図は本発明の流れの可視化方法を利用し
た濃度測定装置の概略図、第5図は同可視化方法
を利用した速度測定装置の概略図である。 1……モデル水槽、4……コロイド粒子、5…
…局所的な照明光(スリツト光)、10……観察
窓、11……入射光窓、20……TVカメラ、2
1……モニターテレビ、22……フオトセンサ
(光検出手段)。
Fig. 1 is a schematic diagram of a visualization device that implements the flow visualization method of the present invention, Fig. 2 is a cross-sectional plan view of a model aquarium, Fig. 3 is an explanatory diagram showing a visualized flow field, and Fig. 4 is a diagram of the present invention. FIG. 5 is a schematic diagram of a concentration measuring device using the flow visualization method of the invention, and FIG. 5 is a schematic diagram of a velocity measuring device using the same visualization method. 1...Model aquarium, 4...Colloid particles, 5...
... Local illumination light (slit light), 10 ... Observation window, 11 ... Incident light window, 20 ... TV camera, 2
1... Monitor TV, 22... Photo sensor (light detection means).

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 コロイド粒子を含み均一な濃度のコロイド溶
液で透明なモデル水槽内に流れ場を形成し、この
流れ場に照射したスリツト光を前記コロイド粒子
で散乱させることにより任意断面における流れを
可視化する一方、光の強さを検出する光検出手段
によつて前記散乱光の強さを定量的に測定するこ
とを特徴とする流れの可視化方法。
1. A flow field is formed in a transparent model water tank with a colloid solution containing colloid particles and a uniform concentration, and the flow in an arbitrary cross section is visualized by scattering the slit light irradiated onto this flow field by the colloid particles. 1. A flow visualization method comprising quantitatively measuring the intensity of the scattered light using a light detection means that detects the intensity of the light.
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