JP2004163180A

JP2004163180A - 流れ場の温度、圧力、速度分布の同時計測方法および装置

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Publication number: JP2004163180A
Application number: JP2002327392A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Nakada; 靖仲田
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2002-11-11
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2004-06-10

Abstract

【課題】流れを乱すことなく流れ場の温度、圧力、速度の分布を計測することができる同時計測方法および装置を提供する。
【解決手段】感温塗料１と感圧塗料２を微細な固体粒子のトレーサ３として流れ場に混入して流すトレーサ供給ステップ（Ａ）と、感温塗料と感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長の光４、５を照射して励起状態にする励起ステップ（Ｂ）と、流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ３の画像を撮影して速度分布を計測する速度計測ステップ（Ｃ）と、感温塗料（１）の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測して温度分布を計測する温度計測ステップ（Ｄ）と、感圧塗料（２）の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測して圧力分布を計測する圧力計測ステップ（Ｅ）とからなる。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流れ場の温度、圧力、速度分布の同時計測方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
気流中の温度又は圧力の分布を流れを乱すことなく計測する手段として、レーザ誘起蛍光法（ＬａｓｅｒＩｎｄｕｃｅｄＦｌｕｏｒｅｓｅｎｃｅ，以下「ＬＩＦ」という）が知られている。この手段は、流れ場にナトリウム（Ｎａ）や沃素（Ｉ２）を分子レベルで混入し、特定の波長の強い光（レーザ光）をそれらに照射して励起させ、エネルギー準位の遷移過程で発生する蛍光の強度から温度、密度（圧力）を非接触で計測するものである。レーザ誘起蛍光法は、レーザ光の照射の仕方により、１次元（線）または２次元（面）の分布計測が可能である。なお、レーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ）は、例えば、［非特許文献１］に開示されている。
【０００３】
【非特許文献１】
手島光司、”レーザ誘起蛍光法による超音速ジェットの可視化とそのシミュレーション”、流れの可視化、Ｖｏｌ．６Ｎｏ．２２１９８６年７月
【０００４】
一方、流れを乱すことなく気流中の流速の分布を計測する手段として、粒子画像流速計（ＰａｒｔｉｃｌｅＩｍａｇｅＶｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ，以下「ＰＩＶ」という）が知られている。この手段は、流れ場に数μｍレベルの粒子をトレーサとして混入しその流れに強いシート状の光（レーザシート光）を当て、シート面に垂直方向からＣＣＤカメラで粒子画像を撮影する。さらに一定間隔で照射されるシート光毎にその撮影を行い、画像上の粒子移動量から２次元的な速度分布を非接触で計測するものである。なお、粒子画像流速計（ＰＩＶ）は、例えば、［非特許文献２］に開示されている。
【０００５】
【非特許文献２】
”航空機用ガスタービンにおける計測技術（空力、構造計測）”、Ｖｏｌ．２９
Ｎｏ．６２００１．１１
【０００６】
さらに、感圧塗料（ＰｒｅｓｓｕｒｅＳｅｎｓｉｔｉｖｅＰａｉｎｔ，以下「ＰＳＰ」という）を用いて、物体表面の圧力分布を計測する手段も知られている。ＰＳＰは、蛍光を発する色素の酸素分子による消光現象（ＯｘｙｇｅｎＱｕｅｎｃｈｉｎｇ）を利用した計測法である。なお、感圧塗料（ＰＳＰ）は、［非特許文献３］に開示されている。
【０００７】
【非特許文献３】
Ｌｉｕ，Ｔ．”ＲｏｔｏｒＢｌａｄｅＰｒｅｓｓｕｒｅＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｉｎａＨｉｇｈＳｐｅｅｄＡｘｉａｌＣｏｍｐｒｅｓｓｏｒｕｓｉｎｇＰｒｅｓｓｕｒｅａｎｄＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＳｅｎｓｉｔｉｖｅＰａｉｎｔｓ”、［平成１４年７月１１日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：ｈｔｔｐ：／／ａｖｉａｎ．ｅｃｎ．ｐｕｒｄｕｅ．ｅｄｕ／￣ａｓｌ／ｐａｉｎｔｓ／ｒｅｎｏ／＞
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上述したレーザ誘起蛍光法（ＬＩＦ）では、温度、圧力情報は得られるものの、速度情報が得られない。また、粒子画像流速計（ＰＩＶ）では、速度情報は得られるものの温度、圧力情報が得られない。さらに、感圧塗料（ＰＳＰ）では、物体表面の圧力分布は得られるものの、速度情報が得られない問題点があった。
【０００９】
本発明はかかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、流れを乱すことなく流れ場の温度、圧力、速度の分布を計測することができる同時計測方法および装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、感温塗料（１）と感圧塗料（２）を微細な固体粒子のトレーサ（３）として流れ場に混入して流すトレーサ供給ステップ（Ａ）と、感温塗料と感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長の光（４、５）を照射して励起状態にする励起ステップ（Ｂ）と、流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ（３）の画像を撮影して速度分布を計測する速度計測ステップ（Ｃ）と、感温塗料（１）の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測して温度分布を計測する温度計測ステップ（Ｄ）と、感圧塗料（２）の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測して圧力分布を計測する圧力計測ステップ（Ｅ）と、からなることを特徴とする流れ場の温度、圧力、速度分布の同時計測方法が提供される。
【００１１】
また、本発明によれば、感温塗料（１）と感圧塗料（２）を微細な固体粒子のトレーサ（３）として流れ場に混入して流すトレーサ供給装置（１２）と、感温塗料と感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長Ｒ１，Ｒ２の光（４、５）を照射して励起状態にする励起装置（１４）と、流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ（３）の画像を撮影して速度分布を計測する速度計測装置（１６）と、感温塗料（１）の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測して温度分布を計測する温度計測装置（１８）と、感圧塗料（２）の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測して圧力分布を計測する圧力計測装置（２０）と、を備えたことを特徴とする流れ場の温度、圧力、速度分布の同時計測装置が提供される。
【００１２】
上記本発明の方法および装置によれば、微細な固体粒子のトレーサ（３）を流れ場に混入して流すので、流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ（３）の画像を撮影することにより、粒子画像流速計（ＰＩＶ）の原理で速度分布を計測することができる。
また、感温塗料（１）を微細な固体粒子として流れ場に混入して流し、感温塗料に特定の励起波長Ｒ１の光（４）を照射して励起状態にするので、感温塗料（１）の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測することにより、感圧塗料（ＰＳＰ）の原理で温度分布を計測することができる。
さらに、感圧塗料（２）を微細な固体粒子として流れ場に混入して流し、感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長Ｒ２の光（５）を照射して励起状態にするので、感圧塗料（２）の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測することにより、感圧塗料（ＰＳＰ）と同様の原理で圧力分布を計測することができる。
従って、流れを乱すことなく流れ場の温度、圧力、速度の分布を同時または短い間隔で計測することができる。
【００１３】
本発明の好ましい実施形態によれば、前記速度計測ステップ（Ｃ）、温度計測ステップ（Ｄ）および圧力計測ステップ（Ｅ）をほぼ同時に行うことが好ましい。
これにより、１回の計測で、流れ場の温度、圧力、速度の分布をほぼ同時に計測することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態を図面を参照して説明する。なお、各図において同一部分には同一の符号を付し、重複した説明を省略する。
【００１５】
図１は、本発明による計測装置の全体構成図である。この図において、（Ａ）は側面図、（Ｂ）は平面図である。
図１に示すように、本発明による同時計測装置は、トレーサ供給装置１２、励起装置１４、速度計測装置１６、温度計測装置１８および圧力計測装置２０を備える。
【００１６】
トレーサ供給装置１２は、感温塗料１と感圧塗料２を微細な固体粒子のトレーサ３として流れ場１１に混入して流すようになっている。
【００１７】
感圧塗料２には、いわゆる感圧塗料（ＰＳＰ）、例えばポルフィリン等を用いる。感圧塗料（ＰＳＰ）は圧力及び温度依存性があるため、最終的に圧力を求めるには、温度情報が必要となる。この発明では、温度情報は、圧力依存性のない感温塗料（ＴＳＰ）から得る。
感温塗料１は、蛍光を発する色素を酸素を透過しないポリマーの中に混入し、圧力と関係のある酸素に色素が触れないようにしたものである。このため、感温塗料１は、温度依存性のみを有する。
従って、酸化透過性のポリマーを使ったものは、まさに感圧塗料（ＰＳＰ）となり、圧力及び温度依存性を持つことになる。
また本発明ではＰＳＰを物体表面に塗料として塗装するのではなく、微細な固体粒子としてトレーサ３として用いる。トレーサ３の粒径は、１〜１０μｍであり、流れ場１１の流れに同伴されて流れ場に流線に沿って同じ速度で流れるように設定する。
【００１８】
流れ場１１は、気体（例えば空気）の流れ場であり、例えば、ガスタービン、コンプレッサ、タービン等の内部の流れ、あるいは、動翼、静翼まわりの流れを模擬した流れ場を用いる。
【００１９】
励起装置１４は、例えば２台のレーザ発振器１４ａ，１４ｂであり、それぞれ特定の励起波長Ｒ１，Ｒ２の光４、５を流れ場１１に設けた透視窓１１ｂを透して照射し感温塗料１と感圧塗料２を励起状態にする。特定の励起波長Ｒ１，Ｒ２は、感温塗料１と感圧塗料２の励起に適した波長、例えばポルフィリンのＰｔＯＥＰでは３６６μｍ、５４３μｍ、ＰｔＴＦＰＰでは３９０μｍ、Ｈ２ＴＦＰＰでは４００μｍを用いる。
【００２０】
速度計測装置１６は、レーザ発振器１６ａ、ＣＣＤカメラ１６ｂ、等からなる。レーザ発振器１６ａにより、透視窓１１ｂを透して流れ場１１に強いシート状の光を時間間隔を開けて少なくとも２回照射し、ＣＣＤカメラ１６ｂによりシート面に垂直方向から透視窓１１ｃを透してトレーサ３の画像を撮影する。これらの画像データは画像解析装置２２（例えばＰＣ）に入力され、いわゆるＰＩＶ計測により流れ場１１の２次元速度分布を計測する。得られた２次元速度分布は、出力装置２３（ＣＲＴ、プリンタ、記憶装置、等）に出力される。
【００２１】
温度計測装置１８は、バンドパスフィルター１８ａ、ＣＣＤカメラ１８ｂ、等からなる。速度計測装置１６で計測する流れ場と同一の領域から透視窓１１ｂを透してＣＣＤカメラ１６ｂに向かう光は、ビームスプリッタ１５ａでその一部が図１（Ｂ）で左側に反射し、別のビームスプリッタ１５ｂでその一部がＣＣＤカメラ１８ｂに向けて反射する。またバンドパスフィルター１８ａにより、感温塗料１の特定の放出波長Ｗ１のみを透過させ、その光強度Ｉ１の２次元分布をＣＣＤカメラ１８ｂで撮影する。この画像データは画像解析装置２２（ＰＣ）に入力され、いわゆるＰＳＰ計測により流れ場１１の２次元温度分布を計測する。得られた２次元温度分布は、出力装置２３（ＣＲＴ、プリンタ、記憶装置、等）に出力される。
【００２２】
圧力計測装置２０は、バンドパスフィルター２０ａ、ＣＣＤカメラ２０ｂ、等からなる。速度計測装置１６で計測する流れ場と同一の領域から透視窓１１ｂを透してＣＣＤカメラ１６ｂに向かう光は、ビームスプリッタ１５ａでその一部が図１（Ｂ）で左側に反射し、一部が別のビームスプリッタ１５ｂを透過し、反射ミラー１５ｃでＣＣＤカメラ２０ｂに向けて反射する。またバンドパスフィルター２０ａにより、感圧塗料２の特定の放出波長Ｗ２のみを透過させ、その光強度Ｉ２の２次元分布をＣＣＤカメラ２０ｂで撮影する。この画像データは画像解析装置２２（ＰＣ）に入力され、いわゆるＰＳＰ計測により流れ場１１の２次元圧力分布を計測する。得られた２次元圧力分布は、出力装置２３（ＣＲＴ、プリンタ、記憶装置、等）に出力される。
【００２３】
特定の放出波長Ｗ１，Ｗ２は、感圧塗料（ＰＳＰ）の励起に適した波長、例えばポルフィリンのＰｔＯＥＰでは６５０μｍ、ＰｔＴＦＰＰでは６５０μｍ、Ｈ２ＴＦＰＰでは６５４μｍ、７０２μｍを用いる。
【００２４】
以下、温度計測と圧力計測の原理を説明する。
ＰＳＰに含まれる色素は、紫外線を浴びると活性化し、励起ＰＳＰとなる。励起ＰＳＰは通常は短い時間遅れの後、黄色〜赤色の光を放出して活性を失う（失活という）。しかし、励起ＰＳＰに酸素分子が衝突すると、その励起エネルギーは酸素に奪われ、ＰＳＰ色素自体は無放射失活する（衝突失活という）。
衝突失活現象は、酸素による消光現象であるため、発光強度が酸素濃度に比例するので、式（１）のＳｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒの関係式が成り立つ。ここで、Ｐ_Ｏ２は酸素分圧、Ｉ_ｍａｘは酸素濃度０の時の発光強度、Ｋは比例定数である。
Ｉ_ｍａｘ／Ｉ＝１＋Ｋ・Ｐ_Ｏ２・・・（１）
式（１）から、Ｉｍａｘ、Ｋが既知であれば、計測した発光強度Ｉ（特定の放出波長の強度）からＰ_Ｏ２が分かり、流れ場１１の圧力分布が計測できる。
【００２５】
また、ＰＳＰに含まれる色素によっては、温度の影響を受けるものがあり、この場合、Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒの関係式は式（２）で表される。ここで、Ｐ_Ｏ２は酸素分圧、Ｉ_ｍａｘ（Ｔ）は酸素濃度０の時の発光強度、Ｋ（Ｔ）は比例定数である。
Ｉ_ｍａｘ（Ｔ）／Ｉ＝１＋Ｋ（Ｔ）・Ｐ_Ｏ２・・・（２）
式（２）において、Ｉ_ｍａｘ（Ｔ）、Ｋ（Ｔ）は温度Ｔの影響を受けるが、感温塗料１では、蛍光を発する色素を酸素を透過しないポリマーの中に混入し、圧力と関係のある酸素に色素が触れないようにしているため、感温塗料１は、温度依存性のみを有する。従って、感温塗料１では、放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２から流れ場１１の温度を計測することができる。
また、感圧塗料（ＰＳＰ）は圧力及び温度依存性があるため、最終的に圧力を求めるには、温度情報が必要となるが、温度情報は、圧力依存性のない感温塗料（ＴＳＰ）から得ることができる。
【００２６】
図２は、本発明による計測方法の全体フロー図である。本発明の計測方法は、トレーサ供給ステップ（Ａ）、励起ステップ（Ｂ）、速度計測ステップ（Ｃ）、温度計測ステップ（Ｄ）および圧力計測ステップ（Ｅ）からなる。
【００２７】
トレーサ供給ステップ（Ａ）では、感温塗料１と感圧塗料２を微細な固体粒子のトレーサ３として流れ場１１に混入して流す。
励起ステップ（Ｂ）では、感温塗料１と感圧塗料２にそれぞれ特定の励起波長の光４、５を照射して励起状態にする。
速度計測ステップ（Ｃ）では、流れ場１１にシート状の光を照射し、シート面に垂直方向からトレーサ３の画像を撮影して速度分布を計測する。
温度計測ステップＤでは、感温塗料１の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測して温度分布を計測する。
圧力計測ステップ（Ｅ）では、温度計測ステップＤで得られた温度分布を用い、感圧塗料２の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測して圧力分布を計測する。
【００２８】
速度計測ステップ（Ｃ）、温度計測ステップ（Ｄ）および圧力計測ステップ（Ｅ）をほぼ同時に行うのがよい。なお、ここで「ほぼ同時」とは厳密な意味では同時でなく、速度計測ステップ（Ｃ）におけるシート状の光が温度計測ステップＤの光強度Ｉ１や圧力計測ステップ（Ｅ）における光強度Ｉ２に影響する場合には、わずかに時間をずらして計測してもよい。この時間差Δｔは、トレーサ３の移動量が十分に小さい間隔であるのがよい。
【００２９】
上述した本発明の方法および装置によれば、微細な固体粒子のトレーサ３を流れ場に混入して流すので、流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ３の画像を撮影することにより、粒子画像流速計（ＰＩＶ）の原理で速度分布を計測することができる。
また、感温塗料１を微細な固体粒子として流れ場に混入して流し、感温塗料に特定の励起波長Ｒ１の光４を照射して励起状態にするので、感温塗料１の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測することにより、感圧塗料（ＰＳＰ）の原理で温度分布を計測することができる。
さらに、感圧塗料２を微細な固体粒子として流れ場に混入して流し、感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長Ｒ２の光５を照射して励起状態にするので、感圧塗料２の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測することにより、感圧塗料（ＰＳＰ）と同様の原理で圧力分布を計測することができる。
従って、流れを乱すことなく流れ場の温度、圧力、速度の分布をほぼ同時または短い間隔で計測することができる。
【００３０】
なお本発明は以上に述べた実施形態に限られるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００３１】
【発明の効果】
上述したように本発明の方法及び装置は以下の特徴を有する。
（１）流れ場に混入した数μｍレベルの感温、感圧トレーサ粒子に、ＰＩＶ計測に使う強いレーザシート光（ＹＡＧレーザ等利用）を一定間隔で照射し、粒子で散乱する光をＰＩＶ用ＣＣＤカメラで記録し、解析処理することで２次元速度分布を計測できる。
（２）また、トレーサ粒子を励起する特定波長のレーザシート光を照射し、トレーサ粒子から温度および圧力に応じて発光される蛍光だけをバンドパスフィルタを通し専用ＣＣＤカメラで記録し、その強度分布を解析処理することで温度と圧力の２次元分布を計測することができる。なお感温、感圧トレーサ粒子の蛍光強度と温度、圧力との関係は事前に校正試験を行い、その結果をもとに蛍光強度を温度、圧力に変換処理する。
（３）（１）と（２）を短い間隔で実施することで、温度、圧力および速度の非接触２次元分布計測がほぼ同時に行える。
【００３２】
従って、本発明の同時計測方法および装置は、流れを乱すことなく流れ場の温度、圧力、速度の分布を計測することができる等の優れた効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による計測装置の全体構成図である。
【図２】本発明による計測方法の全体フロー図である。
【符号の説明】
１感温塗料、２感圧塗料、３トレーサ、４、５励起光、
１１流れ場、１１ｂ、１１ｃ透視窓、
１２トレーサ供給装置、１４励起装置、
１４ａ，１４ｂレーザ発振器、
１５ａ、１５ｂビームスプリッタ、１５ｃ反射ミラー、
１６速度計測装置、１６ａレーザ発振器、１６ｂＣＣＤカメラ、
１８温度計測装置、１８ａバンドパスフィルター、１８ｂＣＣＤカメラ、２０温度計測装置、２０ａバンドパスフィルター、２０ｂＣＣＤカメラ、２２画像解析装置、２３出力装置、
Ｒ１，Ｒ２励起波長、Ｗ１、Ｗ２放出波長、Ｉ１、Ｉ２光強度、

Claims

感温塗料（１）と感圧塗料（２）を微細な固体粒子のトレーサ（３）として流れ場に混入して流すトレーサ供給ステップ（Ａ）と、
感温塗料と感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長の光（４、５）を照射して励起状態にする励起ステップ（Ｂ）と、
流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ（３）の画像を撮影して速度分布を計測する速度計測ステップ（Ｃ）と、
感温塗料（１）の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測して温度分布を計測する温度計測ステップ（Ｄ）と、
感圧塗料（２）の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測して圧力分布を計測する圧力計測ステップ（Ｅ）と、からなることを特徴とする流れ場の温度、圧力、速度分布の同時計測方法。
前記速度計測ステップ（Ｃ）、温度計測ステップ（Ｄ）および圧力計測ステップ（Ｅ）をほぼ同時に行う、ことを特徴とする請求項１に記載の同時計測方法。
感温塗料（１）と感圧塗料（２）を微細な固体粒子のトレーサ（３）として流れ場に混入して流すトレーサ供給装置（１２）と、
感温塗料と感圧塗料にそれぞれ特定の励起波長Ｒ１，Ｒ２の光（４、５）を照射して励起状態にする励起装置（１４）と、
流れ場にシート状の光を照射しシート面に垂直方向からトレーサ（３）の画像を撮影して速度分布を計測する速度計測装置（１６）と、
感温塗料（１）の特定の放出波長Ｗ１の光強度Ｉ１を計測して温度分布を計測する温度計測装置（１８）と、
感圧塗料（２）の特定の放出波長Ｗ２の光強度Ｉ２を計測して圧力分布を計測する圧力計測装置（２０）と、を備えたことを特徴とする流れ場の温度、圧力、速度分布の同時計測装置。