JPH0338537B2 - - Google Patents

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。

（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。

（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。

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。

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。

［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。

（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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

［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。

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。

【図面の簡単な説明】

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）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 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。