【技術分野】
【０００１】
本発明は、流動可視化の方法、すなわち、装置内の流動空間を流れる流体の流動パターンを可視化し、任意選択的に測定および／または記録する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの種類の装置が、使用中に流体が流れる流動空間を有する。その流れの正確な流動パターンは、例えば装置の実用寿命または効率にとってしばしば非常に重要である。しかし、流動空間の壁は常に不透明であり、それは使用中に実際の流動パターンを見ることができないことを意味する。したがって、装置のサンプルまたはモデルにおける流動空間の壁に一つまたはそれ以上の透明な窓を設けるか、あるいは装置の関連部分のモデルを透明な材料で作成し、次いで流動空間に流体を流動させることが知られている。流動空間の上流で、流体に小粒子が「播種」される。空間内を流れる流体は一般的にレーザによって照明され、次いで流体中のシード粒子の位置および分布を基準にして、流体の流動パターンを観察することができる。流動パターンは通常、シード粒子の瞬時位置および分布を記録し、かつそれらを後で観察し詳細に解析することを可能にする、カメラによって観察される。
【０００３】
流体の流動パターンがかなり重要である装置の一例として、高スループットの水、化学薬品または他の液体用の絞り弁および遮断弁がある。特に弁がそこを流れる液体による侵食または腐食を受ける場合、弁の設計の小さい変更が、液体の流動パターンに大きい影響を及ぼす可能性があり、これが今度は弁の効率およびその実用寿命に大きい影響を及ぼす可能性がある。
【０００４】
流体の流動パターンが重要である装置のさらなる重要な例として内燃機関がある。そのような機関の燃焼室内のスワール、タンブル、または他の乱流のパターンおよび強度は、燃焼室における燃料と空気の混合度合い、および点火が発生する瞬間の燃料の空間的分布に重大な影響を持つ。機関の設計を最適化するために、機関の一部分のモデルを作成し、一つの気筒をガラス製にし、関連ピストンをパースペクスまたはポリエステル製にすることが知られている。次いで、機関の動作を模倣するために、ピストンを往復運動させながら、気筒に液体が送り込まれる。気筒の上流で、液体に小粒子が播種される。気筒内の移動液体およびシード粒子は、気筒の軸に対して直角な実質的に平面状のビームを放出するように構成されたレーザによって、通常シリンダの側壁を通して照明される。次いで、前記面内の照明された粒子が観察され、かつ通常写真撮影され、それらの相対的位置および分布が気筒内の流動パターンを指し示す。
【０００５】
内燃機関における最も重要なパラメータの一つは、燃焼空間における燃料および空気のスワール、すなわち気筒軸を中心とする燃料および空気の回転のパターンおよび強度である。このスワールを可視化することができるために、スワールする液体および同伴シード粒子は上述の通り気筒軸に直角に照明され、スワールパターンは軸方向に観察したときにだけ適切に見ることができるので、透明なピストンを介して観察される。しかし、ピストンは常に様々な厚さであり、その屈折率は液体のそれとは異なる。屈折率の相違は、特定のシード粒子の他のシード粒子に対する知覚的位置ずれ、およびしたがって記録される流動パターンの崩壊を導く。
【０００６】
ガラスと液体の屈折率の相違から生じる問題を解消するために、気筒は通常、同じ液体が充填されたガラス容器内に配置される。しかし、市販されているガラス気筒のサイズの数は非常に制限されており、また納期が非常に長い。さらに、ガラス容器は保存期間後に漏洩しやすい。好適な液体は、安価でありかつ有害な作用が無いことから、伝統的に水であるが、その屈折率はガラス、パースペクス、およびポリエステルのそれとは非常に異なるので、水を使用して得た流動可視化の結果には重大な欠陥がある。
【０００７】
モデルを作成する材料および液体の屈折率を一致させようとする試みが行なわれてきたが、これらは、モデルに適さない材料、またはトルエンとジフェニルメタンの混合物のように容認できないほど有毒であるか、または揮発油とテトラリンの混合物のように容認できないほど可燃性であるか、または温度による屈折率の変化が容認できないほど高いか、またはチオシアン酸カリウムの水溶液のように容認できないほど腐食性である液体のいずれかを使用することを含んでいた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は、モデルを迅速に作成することができるように、容易に入手することができ、かつ容易に機械加工することができる材料からモデルを作成することができ、結果が屈折率の相違によって低下せず、潜在的に有害であるかあるいは何らかの他の方法で不利である液体を使用する必要の無い、上述した種類の流動可視化の方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様では、装置の流体流動空間内の流動を使用中に可視化する方法であって、装置の少なくとも流動空間を画定する部分のモデルを提供するステップと、該モデルが透明な材料から作成されるか、あるいは少なくとも部分的に流動空間を画定する透明な部分を含んでおり、液体にシード粒子を導入し、かつ液体を流動空間に流動させるステップと、流動空間内の流動液体を照明するステップと、粒子の分布を観察するステップとを含み、液体がベンジルアルコールおよび安息香酸ベンジルの混合物を含む方法を提供する。モデルまたはその透明な部分はポリエステル材、例えば、両方とも約１．２５から１．６０の間の高い屈折率を有するアクリルまたはエポキシ樹脂材を含むことが好ましい。
【００１０】
本発明のさらなる態様では、液体は安息香酸ナトリウムの水溶液を含む。そのような溶液を使用するモデルの適切な材料は、ＭＧケミカルズ・リミテッドによって製造され、商標ＲＴＶ６１５で販売されている透明なシリコーンゴムである。
【００１１】
したがって、本発明の方法は公知の方法にかなり類似しているが、重要な相違点は液体の組成である。ベンジルアルコールと安息香酸ベンジルの混合物の屈折率は、その組成によって約１．３から１．５８の間で変化する。約３５重量％の濃度の安息香酸ナトリウム溶液の屈折率は１．４０から１．４１の間であり、一般的に１．４０５である。液体の屈折率は、液体の厳密な組成を変化させることによって、モデルまたはその透明な部分のそれと等しくなるように調整することができる。この結果、いずれのシード粒子にも相対的位置ずれが発生せず、したがってこれらのシード粒子の位置および分布によって示される観察流動パターンは、実際の流動パターンに厳密に一致する。安息香酸ベンジルとベンジルアルコールの混合物、および安息香酸ナトリウム水溶液は有毒でも可燃性でもなく、またそれらの屈折率は温度によって実質的に変動しない。したがって、これらの液体の使用は、上述した全ての問題点を実質的に克服する。
【００１２】
モデルにポリエステルエポキシ樹脂またはシリコーンゴムを使用することは、そのような材料は容易に機械加工することができるので、モデルを迅速かつ安価に作成できることを意味する。
シード粒子が液体に対し不活性かつ液体中で不溶性であることは、言うまでもなく重要であり、かつそれらを容易に見ることができるように、それらが高い反射率を持つことが望ましい。また、これらの粒子の密度が液体のそれにほぼ一致するか、あるいはより好ましくは厳密に一致すること、すなわち、粒子が浮力によって変位しないように中性浮力を持つことも極めて望ましい。粒子はプラスチック材で被覆された二酸化チタンを含むことが好ましく、ナイロンはこの目的に特に効果的であることが立証された。粒子は５０μないし１５０μの範囲の直径を持つことが好ましい。
【００１３】
本発明の方法は広範囲の様々な種類の装置に適用できるが、好適な実施形態では、装置は内燃機関であり、モデルは、入口弁を介して入口ダクトと連通している透明な気筒内で可動の透明なピストンを含み、該方法は、気筒内を流動する液体を、気筒の軸に対して直角または平行な実質的に平面状の光のビームを放出するように構成かつ配設されたレーザによって照明するステップと、平面に直角な方向に粒子を観察するステップとを含む。
観察は、粒子の位置および分布を記録するカメラによって行なうことが好ましい。カメラは、時間の経過による粒子の分布の変化を可視化することができるように、多数の連続写真を撮影するように配設することが好ましい。
【００１４】
本発明のさらなる特徴および詳細は、例として内燃機関内の流動を可視化する装置を示す単一の添付の図面に関連して掲げる一つの特定の実施形態についての以下の説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
該装置は、内燃機関の単気筒をシミュレートするモデルであって、アクリル材などのポリエステル、この場合はポリメチルメタクリレート、またはエポキシ樹脂から作られた透明なピストン２が、同様の材料の透明なブロックに形成された気筒４に往復運動可能に装着されて成るモデルを含む。気筒ヘッド６のピストンから遠い方の気筒の端に、流入ポートおよび流出ポート（不可視）を形成する。モデルのポートおよびピストンならびに他の全ての構造的特徴は、流動を可視化しようとする機関のそれと厳密に対応するように作成した。ピストンはアクチュエータ８によって往復運動するように接続し、入口弁は従来の方法でそれと同期して開閉するように構成した。液体は実質的に非圧縮性であるので、排気弁のタイミングは従来の機関のそれとは異なるようにした。排気弁は、ピストンの全吸気行程中に閉じ、排気行程中に開くように構成した。代替的に、排気弁を使用不能にし、排気行程で流体が入口弁を介して戻るようにすることができる。流入ポートには入口ダクトを接続し、それを今度は、液体をタンク１０に戻すように構成された排気ダクトに接続した。実質的に平面状の光のビームを放出して気筒内で平面を照明するように構成された、光シャッタ１４を介して光ファイバシステム１６に接続された公知の型の、この場合はアルゴンイオン型のレーザ照明装置１２を、気筒の近くに配置した。予め定められた時間間隔で多数の連続静止写真を撮影するように構成されたビデオカメラ１８を、その観察方向がこの平面に対して直角になるように配置する。平面の向きは要件に従って選択され、流体のスワールを観察する場合には、気筒の軸に対し直角になり、タンブルを観察する場合には軸に平行になる。
【００１６】
使用時に、タンクに最初に、７３重量％の安息香酸ベンジルと２７重量％のベンジルアルコールを含む混合物を充填した。次いで、混合比を選択的に調整することによって、この混合物の屈折率を、それが気筒およびピストンを作成した材料のそれと厳密に一致するまで調節した。ポリメチルメタクリレートなどのアクリルの場合、この最終混合物は約１．４８９３の屈折率を持つ。１００μ程度の直径を持つナイロン被覆二酸化チタンを含む多数のシード粒子をタンク内に導入し、スターラまたは撹拌器（図示せず）によって分散浮遊状態を維持した。
【００１７】
使用時に、ピストンを往復運動させ、液体とそれに同伴するシード粒子を膨張行程中には気筒内に流入させ、圧縮工程中には場合に応じて排気弁または入口弁を介して流出させてタンク内に戻す。カメラを操作して多数の写真を撮影し、パルスレーザによって照明され、カメラによって記録されたシード粒子の位置および分布は、気筒内の流動パターンおよび速度を示した。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】内燃機関における流動を可視化するための装置を示す略図。【Technical field】
[0001]
The present invention relates to a flow visualization method, ie a method for visualizing, optionally measuring and / or recording a flow pattern of a fluid flowing through a flow space in a device.
[Background]
[0002]
Many types of devices have a flow space through which fluid flows during use. The exact flow pattern of the flow is often very important for the service life or efficiency of the device, for example. However, the walls of the flow space are always opaque, which means that the actual flow pattern cannot be seen during use. Thus, providing one or more transparent windows on the walls of the flow space in the sample or model of the device or creating a model of the relevant part of the device with a transparent material and then allowing fluid to flow into the flow space It has been known. Upstream of the flow space, the fluid is “seeded” with small particles. The fluid flowing in the space is generally illuminated by a laser, and then the fluid flow pattern can be observed with reference to the location and distribution of the seed particles in the fluid. The flow pattern is typically observed by a camera that records the instantaneous position and distribution of the seed particles and allows them to be later observed and analyzed in detail.
[0003]
An example of a device where the fluid flow pattern is quite important is a high-throughput throttle valve and shut-off valve for water, chemicals or other liquids. Small changes in the design of the valve, especially when the valve is subject to erosion or corrosion by the fluid flowing through it, can have a large impact on the fluid flow pattern, which in turn has a significant impact on the efficiency of the valve and its service life. May affect.
[0004]
A further important example of a device in which the fluid flow pattern is important is an internal combustion engine. The pattern and intensity of swirl, tumble, or other turbulence in the combustion chamber of such engines has a significant impact on the degree of fuel-air mixing in the combustion chamber and the spatial distribution of fuel at the moment of ignition. Have. In order to optimize the engine design, it is known to create a model of a part of the engine, one cylinder made of glass and the associated piston made of Perspex or polyester. Next, in order to imitate the operation of the engine, liquid is fed into the cylinder while reciprocating the piston. Small particles are seeded in the liquid upstream of the cylinder. The moving liquid and seed particles in the cylinder are typically illuminated through the cylinder sidewall by a laser configured to emit a substantially planar beam perpendicular to the cylinder axis. The in-plane illuminated particles are then observed and usually photographed, their relative position and distribution pointing to the flow pattern within the cylinder.
[0005]
One of the most important parameters in an internal combustion engine is the fuel and air swirl in the combustion space, ie the pattern and intensity of fuel and air rotation about the cylinder axis. In order to be able to visualize this swirl, the swirling liquid and entrained seed particles are illuminated at right angles to the cylinder axis as described above, and the swirl pattern can only be viewed properly when viewed in the axial direction, so it is transparent Observed through a piston. However, pistons are always of varying thickness and their refractive index is different from that of liquid. The difference in refractive index leads to a perceptual misalignment of a particular seed particle with respect to other seed particles, and thus the collapse of the recorded flow pattern.
[0006]
In order to eliminate the problems arising from the difference in refractive index between glass and liquid, the cylinder is usually placed in a glass container filled with the same liquid. However, the number of commercially available glass cylinders is very limited and the delivery time is very long. Furthermore, the glass container is likely to leak after the storage period. A suitable liquid is traditionally water because it is inexpensive and has no harmful effects, but its refractive index is very different from that of glass, perspex, and polyester, so it was obtained using water There are significant flaws in the flow visualization results.
[0007]
Attempts have been made to match the refractive index of the material from which the model is made and the liquid, but these are materials that are not suitable for the model, or are unacceptably toxic, such as a mixture of toluene and diphenylmethane, Or a liquid that is unacceptably flammable, such as a mixture of volatile oil and tetralin, or an unacceptably high refractive index change with temperature, or an unacceptably corrosive liquid, such as an aqueous solution of potassium thiocyanate Of using any of them.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[Problems to be solved by the invention]
[0008]
Therefore, the object of the present invention is to create a model from a material that can be easily obtained and easily machined so that the model can be created quickly, and the result is refracted. It is to provide a method of flow visualization of the type described above that does not need to use liquids that are not degraded by rate differences and that are potentially harmful or otherwise disadvantageous.
[Means for Solving the Problems]
[0009]
In one aspect of the invention, a method for visualizing in-flow flow in a fluid flow space of a device, the method comprising: providing a model of at least a portion of the device that defines a flow space; Creating or at least partially including a transparent portion defining a flow space, introducing seed particles into the liquid and flowing the liquid into the flow space; and illuminating the flow liquid in the flow space And observing the particle distribution, wherein the liquid comprises a mixture of benzyl alcohol and benzyl benzoate. The model or its transparent part preferably comprises a polyester material, for example an acrylic or epoxy resin material, both having a high refractive index between about 1.25 and 1.60.
[0010]
In a further aspect of the invention, the liquid comprises an aqueous solution of sodium benzoate. A suitable material for models using such a solution is a clear silicone rubber manufactured by MG Chemicals Limited and sold under the trademark RTV615.
[0011]
Thus, although the method of the present invention is quite similar to the known method, the important difference is the composition of the liquid. The refractive index of a mixture of benzyl alcohol and benzyl benzoate varies between about 1.3 and 1.58 depending on its composition. The refractive index of a sodium benzoate solution having a concentration of about 35% by weight is between 1.40 and 1.41, and is generally 1.405. The refractive index of the liquid can be adjusted to be equal to that of the model or its transparent part by changing the exact composition of the liquid. As a result, no relative misalignment occurs in any seed particles, and thus the observed flow pattern indicated by the position and distribution of these seed particles closely matches the actual flow pattern. Mixtures of benzyl benzoate and benzyl alcohol, and aqueous sodium benzoate are not toxic or flammable, and their refractive index does not vary substantially with temperature. Thus, the use of these liquids substantially overcomes all the problems described above.
[0012]
The use of polyester epoxy resin or silicone rubber in the model means that such materials can be easily machined, so that the model can be made quickly and inexpensively.
It is of course important that the seed particles are inert to the liquid and insoluble in the liquid, and it is desirable that they have a high reflectivity so that they can be easily seen. It is also highly desirable that the density of these particles be approximately the same as that of the liquid, or more preferably exactly, that is, have a neutral buoyancy so that the particles are not displaced by buoyancy. The particles preferably comprise titanium dioxide coated with a plastic material, and nylon has proven to be particularly effective for this purpose. The particles preferably have a diameter in the range of 50μ to 150μ.
[0013]
While the method of the present invention can be applied to a wide variety of different types of devices, in a preferred embodiment, the device is an internal combustion engine and the model is in a transparent cylinder that is in communication with an inlet duct via an inlet valve. A movable transparent piston, the method being constructed and arranged to emit liquid flowing in the cylinder to a substantially planar beam of light perpendicular or parallel to the axis of the cylinder Illuminating with a laser and observing particles in a direction perpendicular to the plane.
Observation is preferably performed with a camera that records the position and distribution of the particles. The camera is preferably arranged to take a number of consecutive photographs so that changes in the particle distribution over time can be visualized.
[0014]
Additional features and details of the present invention will become apparent from the following description of one particular embodiment, taken in conjunction with the single accompanying drawing showing, by way of example, a device for visualizing flow in an internal combustion engine. Let's go.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0015]
The device is a model simulating a single cylinder of an internal combustion engine, in which a transparent piston 2 made of polyester, such as acrylic, in this case polymethylmethacrylate, or epoxy resin is made of a transparent material of similar material. It includes a model that is mounted on a cylinder 4 formed in a block so as to be able to reciprocate. An inflow port and an outflow port (invisible) are formed at the end of the cylinder far from the piston of the cylinder head 6. The model's ports and pistons and all other structural features were made to closely correspond to those of the engine that wanted to visualize the flow. The piston was connected so as to reciprocate by the actuator 8, and the inlet valve was configured to open and close in synchronism with the conventional method. Since the liquid is substantially incompressible, the timing of the exhaust valve was made different from that of the conventional engine. The exhaust valve was configured to close during the entire intake stroke of the piston and open during the exhaust stroke. Alternatively, the exhaust valve can be disabled and the fluid returned through the inlet valve during the exhaust stroke. An inlet duct was connected to the inflow port, which in turn was connected to an exhaust duct configured to return liquid to the tank 10. A known type, in this case argon ions, connected to an optical fiber system 16 via an optical shutter 14 configured to emit a substantially planar beam of light to illuminate the plane in the cylinder. A type of laser illuminator 12 was placed near the cylinder. A video camera 18 configured to take a number of continuous still pictures at predetermined time intervals is arranged so that its viewing direction is perpendicular to this plane. The orientation of the plane is selected according to the requirements and is perpendicular to the cylinder axis when observing the fluid swirl and parallel to the axis when observing the tumble.
[0016]
In use, the tank was first filled with a mixture containing 73 wt% benzyl benzoate and 27 wt% benzyl alcohol. The refractive index of the mixture was then adjusted by selectively adjusting the mixing ratio until it closely matched that of the material from which the cylinder and piston were made. In the case of acrylics such as polymethylmethacrylate, this final mixture has a refractive index of about 1.4893. A large number of seed particles containing nylon-coated titanium dioxide having a diameter of about 100 μm were introduced into the tank and maintained in a dispersed suspended state by a stirrer or a stirrer (not shown).
[0017]
During use, the piston is reciprocated to allow the liquid and accompanying seed particles to flow into the cylinder during the expansion stroke and to flow out through the exhaust valve or inlet valve as needed during the compression process. Return to. The camera was operated to take a number of photographs, the position and distribution of seed particles illuminated by a pulsed laser and recorded by the camera showed the flow pattern and velocity within the cylinder.
[Brief description of the drawings]
[0018]
FIG. 1 is a schematic diagram showing an apparatus for visualizing flow in an internal combustion engine.