JP2000055780A - Method and device for visualizing flow - Google Patents

Method and device for visualizing flow

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JP2000055780A
JP2000055780A JP10221964A JP22196498A JP2000055780A JP 2000055780 A JP2000055780 A JP 2000055780A JP 10221964 A JP10221964 A JP 10221964A JP 22196498 A JP22196498 A JP 22196498A JP 2000055780 A JP2000055780 A JP 2000055780A
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村 雅 之 田
Ryoichi Chokai
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a device for visualizing a flow that can be applied under wide temperature conditions by breaking an application limit that depends on temperature at a measurement site by selectively a laser beam oscillating so that a tracer can emit laser-induced fluorescence at a desired energy level in a laser inadiation process. SOLUTION: A laser 11 for emitting a laser beam LO is composed as an OPO system with a coloring matter laser or an optical parametric oscillator(OPO). In the laser 11, ' excitation' and 'oscillation by selecting wavelength' operations can be made and an optimum vibration energy level of nitrogen monoxide can be used for the temperature of a measurement site 13. Then, when a sheet-shaped laser beam LS is applied, nitrogen monoxide emits laser- induced fluorescence even if the measurement site 13 is at normal temperature since a wavelength where nitrogen monoxide emits the laser-induced fluorescence at a low energy level by the laser 11. By shooting the fluorescence using a camera 17, the flow can be made visible more clearly.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、各種流れを可視化
して、その挙動等を観察、研究するための流れを可視化
する方法及び装置の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement in a method and an apparatus for visualizing a flow for visualizing various flows and observing and studying the behavior and the like.

【0002】[0002]

【従来の技術】流れを可視化する従来の技術が、図3で
示されている。図3において、レーザ1からパルス状に
射出されたレーザー光LOは、レンズ群2においてシー
ト状に整形されて、測定場3に入射される。この測定場
3には、一酸化窒素(NO)のボンベ6に接続されたチ
ューブ4の一端4Eが位置しており、チューブ4にON
−OFF弁として作用する電磁弁5が介装されている。
2. Description of the Related Art A conventional technique for visualizing a flow is shown in FIG. In FIG. 3, a laser beam LO emitted in a pulse form from a laser 1 is shaped into a sheet shape in a lens group 2 and is incident on a measurement field 3. One end 4E of a tube 4 connected to a nitric oxide (NO) cylinder 6 is located in the measurement site 3, and the tube 4 is turned on.
An electromagnetic valve 5 acting as an OFF valve is interposed.

【0003】「燃焼の科学と技術」(1996年)第1
16−117巻(Combustion Scienc
e and Technology(1996) Vo
ls.116−117)の第541頁から第566頁に
発表の論文「燃焼システムの設計及び最適化のためのレ
ーザを用いた非接触診断ツール(New Nonint
rusive Laser Diagnostic T
ools for Design and Optim
ization of Technically Ap
plied Combustion System
s)」(A.Luczak、 V.Beushause
n、 S.Eisenberg、 M.Knapp、
H.Schlueter、 P.Andresen、
M.Malobabic、 A.Schmidt)にお
いて記載されている様に、一酸化窒素は、レーザー光が
照射されるとレーザ誘起蛍光を発し(紫外発光)、その
レーザ誘起蛍光は紫外域に感度を有するカメラでとらえ
る事により、視認可能である。従って、可視化して観察
するべき流れに一酸化窒素を混入してレーザー光を照射
すれば、レーザ誘起蛍光によってトレーサとして作用
し、それをカメラ7により撮影すれば、流れの可視化が
実現するのである。そして、一酸化窒素をトレーサとし
て有効にレーザ誘起蛍光を発生せしめるため、電磁弁5
のON−OFFのタイミングは、レーザ1から射出或い
は照射されるパルスレーザの射出(照射)タイミングに
同期するように制御されている。
"Science and Technology of Combustion" (1996) No. 1
16-117 (Combustion Science)
e and Technology (1996) Vo
ls. 116-117), pp. 541 to 566, "A Non-Contact Diagnosis Tool Using Lasers for Design and Optimization of Combustion Systems (New Nonint)
rusive Laser Diagnostic T
cools for Design and Optim
Ization of Technically Ap
plied Combustion System
s) "(A. Luczak, V. Beushause)
n, S.N. Eisenberg, M.A. Knapp,
H. Schlueter, P .; Andresen,
M. Malobabic, A.M. As described in Schmidt), nitric oxide emits laser-induced fluorescence when irradiated with laser light (ultraviolet light emission), and the laser-induced fluorescence is visually recognized by being captured by a camera having sensitivity in the ultraviolet region. It is possible. Therefore, if a flow to be visualized and observed is mixed with nitric oxide and irradiated with a laser beam, it acts as a tracer by laser-induced fluorescence, and if it is photographed by the camera 7, the flow can be visualized. . In order to effectively generate laser-induced fluorescence using nitric oxide as a tracer, a solenoid valve 5 is used.
Is controlled so as to be synchronized with the emission (irradiation) timing of the pulse laser emitted or emitted from the laser 1.

【0004】この様な流れの可視化は、流れ場の観察或
いは測定一般について非常に有効であり、特に、燃焼場
の観察、測定については非常に有効な技術である。
[0004] Such visualization of the flow is a very effective technique for observing or measuring a flow field in general, and is particularly effective for observing and measuring a combustion field.

【0005】ここで、従来技術においては、レーザー1
としては、KrFエキシマレーザを光源とするのが一般
的であった。そのため、例えば一酸化窒素をトレーサと
して用いた場合には、振動エネルギー状態が比較的高い
もの(v〃=2)について、レーザ誘起蛍光を発する。
Here, in the prior art, the laser 1
In general, a KrF excimer laser was used as a light source. Therefore, for example, when nitric oxide is used as a tracer, laser-induced fluorescence is emitted for those having a relatively high vibrational energy state (v〃 = 2).

【0006】しかし、室温或いは常温程度の比較的低温
な測定場3においては、一酸化炭素の振動エネルギーは
低いものが大半である。そのため、レーザ誘起蛍光によ
る信号の強度が著しく低下し、流れの可視化が殆ど不可
能となってしまうという問題が存在する。
However, in the measurement field 3 at a relatively low temperature such as room temperature or normal temperature, most of the vibration energy of carbon monoxide is low. Therefore, there is a problem that the intensity of the signal due to the laser-induced fluorescence is remarkably reduced, and visualization of the flow becomes almost impossible.

【0007】そして、室温或いは常温程度の比較的低温
な測定場3においては流れの可視化が殆ど不可能となっ
てしまうことから、図3を参照して示す従来技術は、実
質的には、火炎の内部の様な高温領域における流れの可
視化のみが適用可能であり、測定或いは観察に適用され
る範囲が非常に限られてしまう(室温或いは常温程度の
測定場では流れの可視化が事実上不可能)という問題も
有している。
[0007] Since it is almost impossible to visualize the flow in the measurement field 3 at a relatively low temperature such as room temperature or normal temperature, the prior art shown in FIG. Only the visualization of the flow in a high temperature region such as the inside of a sphere is applicable, and the range applicable to the measurement or observation is very limited. (The visualization of the flow is practically impossible in a measurement room at room temperature or room temperature.) ).

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述したよ
うな従来技術の問題点に鑑みて提案されたものであり、
流れの可視化技術において、測定場の温度に依存した適
用の限界を打破して、広い温度条件において適用を可能
せしめる様な流れを可視化する方法及び装置の提供を目
的としている。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed in view of the above-mentioned problems of the prior art,
It is an object of the present invention to provide a method and an apparatus for visualizing a flow in a flow visualization technique which can overcome an application limit depending on a temperature of a measurement field and enable application in a wide range of temperature conditions.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明の流れを可視化す
る方法は、トレーサを測定場に供給するトレーサ供給工
程と、シート状に整形されたレーザー光を照射するレー
ザ照射工程と、トレーサがレーザ光を照射されてレーザ
誘起蛍光を発した状態を観察する工程とを含み、前記レ
ーザ照射工程では、トレーサが所望のエネルギー凖位で
レーザ誘起蛍光を発せしめる様にレーザー光の波長を選
択して発振することを特徴としている。また本発明の流
れを可視化する装置は、シート状に整形されたレーザ光
を照射するレーザ照射機構と、トレーサを測定場に供給
するトレーサ供給機構とを有し、前記レーザ照射機構
は、トレーサが所望のエネルギー凖位でレーザ誘起蛍光
を発せしめる様にレーザー光の波長を選択して発振する
様に構成されていることを特徴としている。
According to the present invention, there is provided a method for visualizing a flow, comprising: a tracer supplying step of supplying a tracer to a measuring field; a laser irradiating step of irradiating a sheet-shaped laser beam; Observing a state of emitting laser-induced fluorescence by irradiating light, wherein in the laser irradiation step, the wavelength of the laser light is selected so that the tracer emits laser-induced fluorescence at a desired energy level. It is characterized by oscillating. Further, the apparatus for visualizing the flow of the present invention has a laser irradiation mechanism that irradiates a laser beam shaped into a sheet, and a tracer supply mechanism that supplies a tracer to a measurement site. It is characterized in that it is configured to oscillate by selecting the wavelength of laser light so as to emit laser-induced fluorescence at a desired energy level.

【0010】本発明の実施に際して、トレーサとして
は、例えば一酸化窒素が好ましい。
In the practice of the present invention, the tracer is preferably, for example, nitric oxide.

【0011】また、トレーサが所望のエネルギー凖位で
レーザ誘起蛍光を発せしめる様にレーザー光の波長を選
択して発振する様に構成されている前記レーザ照射機構
としては、レーザとして色素レーザを使用するシステム
か、或いは、オプティカルパラメトリック発振機(OP
O)を有するOPOシステムを採用することが好まし
い。
In addition, a dye laser is used as the laser irradiation mechanism, wherein the laser irradiation mechanism is configured so that the tracer emits laser-induced fluorescence at a desired energy level by selecting the wavelength of the laser light. System or an optical parametric oscillator (OP
It is preferable to employ an OPO system having O).

【0012】かかる構成を有する本発明によれば、前記
レーザ照射機構は、トレーサが所望のエネルギー凖位で
レーザ誘起蛍光を発せしめる様にレーザー光の波長を選
択して発振する様に構成されているので、レーザにおい
ては、「励起」と「波長選択して発振」という作用が行
われる。そして「波長選択して発振」に際して、測定場
の温度に合わせて、最適な一酸化窒素の振動エネルギー
準位を選択する事が出来る。例えば、226nm付近の
振動エネルギー準位が比較的低い数値にかかる遷移を用
いれば、火炎中等の高温領域に限定されることなく、室
温或いは常温程度の比較的低温の測定場についても、可
視化が可能となる。
According to the present invention having such a configuration, the laser irradiation mechanism is configured to oscillate by selecting the wavelength of the laser light so that the tracer emits laser-induced fluorescence at a desired energy level. Therefore, in the laser, the operations of “excitation” and “wavelength selective oscillation” are performed. Then, at the time of “wavelength selection and oscillation”, it is possible to select an optimal vibration energy level of nitric oxide according to the temperature of the measurement field. For example, if the transition of the vibration energy level around 226 nm is used with a relatively low value, it is possible to visualize the measurement field at a relatively low temperature such as room temperature or room temperature without being limited to a high temperature region such as a flame. Becomes

【0013】その結果、室温或いは常温程度の比較的低
温の測定場について一酸化窒素をトレーサとして用いた
としても、一酸化窒素は低いエネルギー凖位においてレ
ーザ誘起蛍光を発せしめる。
As a result, even if nitric oxide is used as a tracer in a measurement field at a relatively low temperature, such as room temperature or room temperature, nitric oxide emits laser-induced fluorescence at a low energy level.

【0014】この様に本発明によれば、従来技術ではレ
ーザ誘起蛍光を発しない様な低温環境測定場において
も、適用可能となるのである。換言すれば、測定場の温
度に依存して適用可能か否かが判断されていた一酸化窒
素のレーザ誘起蛍光による流れの可視化技術の適用範囲
を飛躍的に拡大することが出来る。
As described above, according to the present invention, the present invention can be applied to a low-temperature environment measurement site where laser-induced fluorescence is not emitted in the prior art. In other words, the application range of the flow visualization technology based on the laser-induced fluorescence of nitric oxide, for which the determination as to whether or not the application is possible depending on the temperature of the measurement field, can be dramatically expanded.

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態に付いて説明する。図1は本発明の第1実施形態
にかかる流れを可視化する装置を示している。図1にお
いて、全体を符号10で示す本発明の第1実施形態にか
かる流れを可視化する装置は、パルス状にレーザー光L
Oを射出するレーザ11と、レーザ11から射出された
レーザー光LOをシート状のパルスレーザー光に整形す
るためのレンズ群12とを備えており、レンズ群12に
よりシート状に整形されたレーザー光LSは測定場13
に入射される。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows an apparatus for visualizing a flow according to a first embodiment of the present invention. In FIG. 1, an apparatus for visualizing a flow according to a first embodiment of the present invention, which is generally denoted by reference numeral 10, is a laser light L in a pulse shape.
A laser 11 for emitting O, and a lens group 12 for shaping the laser light LO emitted from the laser 11 into a sheet-like pulsed laser light are provided. The laser light shaped into a sheet by the lens group 12 is provided. LS is a measurement site 13
Is incident on.

【0016】また前記装置10は、トレーサである一酸
化窒素(NO)のボンベ16を有しており、ボンベ16
はチューブ14(トレーサを測定場に供給するトレーサ
供給通路)と接続している。このチューブ14は、その
先端が測定場13に位置しており、該先端とボンベ16
との間の領域にON−OFF弁として作用する電磁弁1
5が介装されている。ここで、レーザ11、レンズ群1
2は、「シート状に整形されたレーザ光を照射するレー
ザ照射機構」を構成し、チューブ14、電磁弁15、一
酸化窒素ボンベ16は「トレーサを測定場に供給するト
レーサ供給機構」を構成する。
The apparatus 10 also has a nitric oxide (NO) cylinder 16 as a tracer.
Is connected to a tube 14 (tracer supply passage for supplying the tracer to the measurement site). The distal end of the tube 14 is located at the measurement site 13, and the distal end is connected to a cylinder 16.
Solenoid valve 1 acting as an ON-OFF valve in the area between
5 are interposed. Here, laser 11, lens group 1
Reference numeral 2 denotes a “laser irradiation mechanism for irradiating a laser beam shaped into a sheet”, and the tube 14, the solenoid valve 15, and the nitric oxide cylinder 16 constitute a “tracer supply mechanism for supplying a tracer to a measurement site”. I do.

【0017】一酸化窒素は、前述した通りレーザ誘起蛍
光を発して所謂トレーサととして作用する。また、電磁
弁15のON−OFFのタイミングは、レーザ11から
射出或いは照射されるパルスレーザの射出(照射)タイ
ミングに同期するように制御される。なお、符号17
は、シート状レーザー光LSが照射されて、トレーサで
ある一酸化窒素(符号GL)が誘起蛍光を発行した状態
を記録するためのカメラ(紫外域に感度を有するカメ
ラ)を示している。また符号tは、可視化して観測する
べき流体の流線を示している。
As described above, nitric oxide emits laser-induced fluorescence and acts as a so-called tracer. The ON / OFF timing of the electromagnetic valve 15 is controlled so as to be synchronized with the emission (irradiation) timing of the pulse laser emitted or emitted from the laser 11. Note that reference numeral 17
Shows a camera (camera having a sensitivity in the ultraviolet region) for recording a state in which the sheet-like laser beam LS is irradiated and nitric oxide (GL) as a tracer emits induced fluorescence. Symbol t indicates a streamline of a fluid to be visualized and observed.

【0018】ここまでの構成は従来技術と概略同様であ
るが、図1の実施形態においては、レーザー光LOを射
出(照射)するためのレーザ11が、色素レーザ或いは
オプティカルパラメトリック発振機(以下、「OPO」
と略記する)を有するOPOシステムとして構成されて
いる。
Although the configuration up to this point is substantially the same as that of the prior art, in the embodiment shown in FIG. "OPO"
OPO system having an abbreviated form).

【0019】そして、レーザ11を色素レーザ或いはO
POシステムとした事により、レーザ11においては、
「励起」と「波長選択して発振」という作用が行われ、
測定場13の温度に合わせて、最適な一酸化窒素の振動
エネルギー準位を使用する事が出来る。例えば、226
nm付近の振動エネルギー準位が比較的低い数値にかか
る遷移を用いれば、火炎中等の高温領域に限定されるこ
となく、室温或いは常温程度の比較的低温の測定場につ
いても、可視化が可能となる。そのため、流れ場におけ
る観察、測定が極めて良好に行われるのである。
The laser 11 is changed to a dye laser or O
With the PO system, the laser 11
The action of "excitation" and "wavelength selected oscillation" is performed,
The optimum vibrational energy level of nitric oxide can be used in accordance with the temperature of the measurement field 13. For example, 226
By using a transition in which the vibration energy level around nm is relatively low, visualization becomes possible even at a measurement field at a relatively low temperature such as room temperature or room temperature without being limited to a high temperature region such as in a flame. . Therefore, observation and measurement in the flow field are performed extremely well.

【0020】そして、シート状のレーザー光LSが照射
されると、レーザー光LSの波長は、レーザ11によっ
て一酸化窒素が低いエネルギー凖位でレーザ誘起蛍光を
発する様な波長(例えば226nm)に選択されている
ので、測定場13が常温であっても一酸化窒素はレーザ
誘起蛍光を発する。それをカメラ17(観察工程を行う
観察手段)で撮影すれば、流れの可視化が行われる。
When the sheet-shaped laser light LS is irradiated, the wavelength of the laser light LS is selected to be a wavelength (for example, 226 nm) at which nitric oxide emits laser-induced fluorescence at a low energy level by the laser 11. The nitric oxide emits laser-induced fluorescence even when the measurement field 13 is at room temperature. If it is photographed by the camera 17 (observation means for performing the observation step), the flow is visualized.

【0021】図2は本発明の第2実施形態を示してい
る。この第2実施形態は図1の第1実施形態と概略同一
であるが、チューブ14の先端(測定場側の先端)に、
多孔質部材或いは比較的目が細かい金属製網の様な「圧
力損失が高く以って流速を減速せしめる構造」20が取
り付けられている。
FIG. 2 shows a second embodiment of the present invention. This second embodiment is substantially the same as the first embodiment of FIG. 1 except that the tip of the tube 14 (the tip on the measurement field side) is
A “structure for reducing the flow velocity due to a high pressure loss” 20 such as a porous member or a relatively fine metal net is attached.

【0022】電磁弁15が「開(或いはON)」状態と
なった時にチューブ14の先端から測定場13内へ一酸
化窒素が噴出しようとするが、ボンベ16内の圧力によ
り付加されたヘッドは、「圧力損失が高く以って流速を
減速せしめる構造」20を通過する際に圧力損失により
相殺されて、消失する。
When the solenoid valve 15 is in the "open (or ON)" state, nitric oxide is squirted from the tip of the tube 14 into the measuring field 13, but the head applied by the pressure in the cylinder 16 is , When passing through the “structure for reducing the flow velocity due to a high pressure loss” 20, the pressure loss cancels and disappears.

【0023】そのため、(圧力損失が高く以って流速を
減速せしめる構造20を通過して)測定場13内に供給
された一酸化窒素(図2において、符号GLで示す)
は、それ自体は殆ど流速を有していない。そのため、可
視化して測定するべき流れ(図2において、符号tで示
す流線を持つ流れ)が、一酸化窒素GLの流れにより撹
乱される事が無く、流れの可視化が正確且つ良好に行わ
れる。
For this purpose, nitric oxide (indicated by the symbol GL in FIG. 2) supplied into the measuring field 13 (through the structure 20 which reduces the flow velocity due to the high pressure loss)
Has little flow rate itself. Therefore, the flow to be visualized and measured (the flow having the streamline indicated by the symbol t in FIG. 2) is not disturbed by the flow of the nitric oxide GL, and the flow is accurately and favorably visualized. .

【0024】なお、図示の実施形態はあくまでも例示で
あり、本発明の技術的範囲を制限する趣旨のものではな
い事を付記する。
It should be noted that the illustrated embodiment is merely an example, and is not intended to limit the technical scope of the present invention.

【0025】[0025]

【発明の効果】本発明の作用効果を以下に列挙する。The effects of the present invention are listed below.

【0026】(1) 可視化して測定するべき流れが、
測定場の温度に依存すること無く、確実に可視化され
る。 (2) 常温或いは室温の比較的低温の測定場であって
も、一酸化窒素がレーザ誘起蛍光を発し、流れの可視化
が好適に行われる。 (3) 従来の流れの可視化装置に対して、大幅な改造
を施す必要が無いので、導入コストが極めて低く抑えら
れる。
(1) The flow to be visualized and measured is
Visualization is assured without depending on the temperature of the measuring field. (2) Nitrogen monoxide emits laser-induced fluorescence even at a measurement site at a relatively low temperature of room temperature or room temperature, and flow visualization is suitably performed. (3) Since there is no need to significantly modify the conventional flow visualization device, the introduction cost can be extremely low.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1実施形態のブロック図。FIG. 1 is a block diagram of a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第2実施形態のブロック図。FIG. 2 is a block diagram of a second embodiment of the present invention.

【図3】従来の流れを可視化する装置のブロック図。FIG. 3 is a block diagram of a conventional apparatus for visualizing a flow.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10…流れを可視化する装置 LO…レーザー光 1、11…レーザ LS…シート状のパルスレーザー光 2、12…レンズ群 3、13…測定場 4、14…チューブ 5、15…電磁弁 6、16…一酸化窒素ボンベ 7、17…カメラ 20…圧力損失が高く以って流速を減速せしめる構造 10: Device for visualizing the flow LO: Laser light 1, 11: Laser LS: Sheet-shaped pulsed laser light 2, 12: Lens group 3, 13 ... Measuring field 4, 14 ... Tube 5, 15 ... Solenoid valve 6, 16 ... Nitric oxide cylinder 7, 17 ... Camera 20 ... Structure to reduce flow velocity due to high pressure loss

Claims (2)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 トレーサを測定場に供給するトレーサ供
給工程と、シート状に整形されたレーザー光を照射する
レーザ照射工程と、トレーサがレーザ光を照射されてレ
ーザ誘起蛍光を発した状態を観察する工程とを含み、前
記レーザ照射工程では、トレーサが所望のエネルギー凖
位でレーザ誘起蛍光を発せしめる様にレーザー光の波長
を選択して発振することを特徴とする流れを可視化する
方法。
1. A tracer supply step of supplying a tracer to a measurement site, a laser irradiation step of irradiating a sheet-shaped laser light, and observing a state in which the tracer is irradiated with the laser light and emits laser-induced fluorescence. A laser beam irradiation step, wherein the laser irradiation step selects and oscillates the wavelength of the laser light so that the tracer emits laser-induced fluorescence at a desired energy level.
【請求項2】 シート状に整形されたレーザ光を照射す
るレーザ照射機構と、トレーサを測定場に供給するトレ
ーサ供給機構とを有し、前記レーザ照射機構は、トレー
サが所望のエネルギー凖位でレーザ誘起蛍光を発せしめ
る様にレーザー光の波長を選択して発振する様に構成さ
れていることを特徴とする流れを可視化する装置。
2. A laser irradiation mechanism for irradiating a laser beam shaped into a sheet, and a tracer supply mechanism for supplying a tracer to a measurement site, wherein the laser irradiation mechanism is configured so that the tracer has a desired energy level. An apparatus for visualizing a flow characterized by being configured to oscillate by selecting a wavelength of a laser beam so as to emit laser-induced fluorescence.
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