JP2010060295A - 流れ場測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】模型の死角部（影部）が生じることがなく、流れ場の測定不能領域が格段に減少する流れ場測定方法を提供する。
【解決手段】本発明の流れ場測定方法は、風洞内に微小粒子の流れを形成する工程と、縮尺模型５００にレーザー光を照射する工程と、レーザー光の照射により光る微小粒子の様子を動画撮像装置６００で撮影する工程と、動画撮像装置６００で撮影された画像を解析することで縮尺模型５００周辺の流れ場を測定する工程と、を有する流れ場測定方法において、縮尺模型５００を透明素材で構成することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の縮尺模型に、微小粒子をのせた風をあてレーザー光照射によって、微小粒子を観察することによって風の流れを測定する流れ場測定方法に関する。

高層ビルなどの建物に風があたると、建物周りの複雑な流れが生じ、予期せぬ突風を引き起こす可能性がある。高層ビルの施工前段階などにおいて、高層ビル建設に伴う風の流れを予測することは、一つの大きな技術上のテーマである。ここで、このような風の流れを視覚的にとらえることができれば、建築と風の流れの問題を解決する大きな手がかりとなり得ることが考えられる。

建物周りの風の流れを視覚化するためには、建物の縮尺模型を作って風を実際にあてて、調べる風洞実験、という手法が従来から用いられている。この実験では、風上から煙を流し、レーザー光で煙を光らせることで、縮尺模型化した高層ビルの周りの風の動きを実際に目で見ることができる。

さらに、風の流れをみるだけでなく、精密な測定まで行える技術が近年提案されている。この技術は、粒子画像流速測定法（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＰＩＶ）と呼ばれている。このＰＩＶでは、煙の代わりに、煙より小さな粒子を散布する。そして、高出力のレーザー光を照射し、粒子が光る様子を高速度ビデオカメラで撮影する。この画像を解析することで建物周りの複雑な流れを測定することができる。ＰＩＶについては、建物周りの風の流れの視覚化を行うものではないが、例えば非特許文献１などに開示されている。
ながれ「粒子画像流速測定法（ＰＩＶ）の大型風洞への適用」、加藤裕之、渡辺重哉、第２２巻第４号（２００３）p.２８９―２９８

ここで、図９を参照しつつ従来のＰＩＶの概略について説明する。図９はＰＩＶによる流れ場測定を簡略的に説明する図である。図９（Ａ）の構成は所定の風洞内にセットされるものであり、この風洞内では、トレーサー用の微小粒子が不図示の風を発生する装置によってＸ方向に飛ばされ、縮尺模型５にあてられる。光源部からはレーザーシートが照射され、このレーザーシートにおける微小粒子が、縮尺模型５上に配置された動画撮像装置６によって撮影される。微小粒子の流れの様子を示す撮影画像データは所定のプログラムによって解析され、風の流れ場が測定される。縮尺模型５表面は、レーザー光の反射で模型近傍での粒子画像の計測しにくくなるのを避けるため、縮尺模型５表面を黒や赤系統で色彩し、反射量を低減させるようにしている。

図９（Ｂ）は動画撮像装置６によって撮影される撮影画像データの概要を示すものである。当該撮影画像データにおいて、（Ｍ）は縮尺模型５を示しており、（Ｑ）はレーザーシート照射によって微小粒子が撮影される範囲を示しており、（Ｐ）は縮尺模型５の影となり微小粒子の撮影ができない範囲を示している。撮影範囲内の微小粒子を解析すれば、当該範囲内での流れの場の様子を測定することができるが、（Ｐ）に示す範囲に置いては流れ場の様子を把握することは不可能となる。すなわち、従来のＰＩＶによる流れ場測定においては、縮尺模型５の死角部（影部）が生じるため、流れ場の測定不能領域が発生する、という問題があった。特に、実際の街並みを模擬するために複数の縮尺模型５を配置する場合があるが、複数の縮尺模型５による死角部（影部）の影響から、流れ場の測定可
能領域は非常に限定的となってしまう。

この発明は、上記の課題を解決するものであって、請求項１に係る発明は、風洞内に微小粒子の流れを形成する工程と、この流れを模型にあてる工程と、前記模型にレーザー光を照射する工程と、レーザー光の照射により光る微小粒子の様子を動画像撮像装置で撮影する工程と、前記動画像撮像装置で撮影された画像を解析することで前記模型周辺の流れ場を測定する工程と、を有する流れ場測定方法において、前記模型を透明素材で構成することを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載の特徴とする流れ場測定方法において、前記模型は中空であることを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２に記載の特徴とする流れ場測定方法において、前記模型の一部のみが透明素材で構成されることを特徴とする。

本発明の流れ場測定方法によれば、模型を透明素材で構成するために、レーザーシートが当該模型を透過するので、模型の死角部（影部）が生じることがなく、流れ場の測定不能領域が格段に減少する。また、特に、透明素材からなる模型を複数配置して測定すれば、複雑な街並みを模擬した流れ場の測定が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しつつ説明する。図1は本発明の実施の形態に
係る流れ場測定方法における測定のための構成の概要を示す図である。図１において、１００はＰＩＶシステム、２００はレーザー光源、３００は光学系、４００はステージ、５００は縮尺模型、６００は動画撮像装置をそれぞれ示している。図１においてブロック図にて示されているＰＩＶシステム１００以外の構成は、所定の風洞内に設けられた構成である。本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法では、散布された微小粒子をレーザー光（レーザーシート）で発光させて、その微小粒子を高速度ビデオカメラなどの動画撮像装置６００で撮影し、これによる撮影画像データで微小粒子の動きを解析することで、風速・風向などの流れの状況を把握している。

このＰＩＶシステム１００は、レーザー光源２００の発光パルスをコントロールし、この発光と同時に動画撮像装置６００によって一コマずつの撮影を行う機能を有している。また、ＰＩＶシステム１００は、動画撮像装置６００によって撮影された撮影画像データの微小粒子の動きを、一コマ毎に解析することによって、微小領域における風の向き、強さなどを視覚化するプログラムを有している。このＰＩＶシステム１００としては従来周知の既製ものを用いることができる。なお、ＰＩＶシステム１００は、不図示の風発生装置における風量コントローラと連動させたり、不図示の風速測定装置からの測定値が入力されたり、する構成としてもよい。

風洞内の風量は不図示の発生装置などによってコントロールされており、１ミクロン程度の粒径を有する微小粒子がこの風にのって飛ばされる。微小粒子には植物油などが用いられる。微小粒子はトレーサーとして、動画撮像装置６００によって撮影されるものであり、この撮影のための照射光としてレーザー光が用いられる。

レーザー光源２００は、例えば５００Ｈｚ程度で発光するＮｄ：ＹＡＧレーザーなどのパルスレーザー光源が用いられ、レーザー光源２００による照射光は光学系３００によって、縮尺模型５００近傍を照射するレーザーシートとされる。

縮尺模型５００は、所定のステージ４００上に載置されており、微小粒子がのせられた風があてられる。このとき、レーザーシートの照射によって縮尺模型５００近傍の微小粒子が撮影可能にされる。動画撮像装置６００は、ａｂｃｄにて示される領域を例えば５００Ｈｚ程度の周期で１コマの撮影を行い、１コマ毎の微小粒子の動きが解析されて、流れ場の測定が行われる。

ここで、本実施形態における縮尺模型５００について説明する。図２は本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法で用いる縮尺模型を示す図である。図２（Ａ）は縮尺模型５００の製造工程を、図２（Ｂ）は縮尺模型５００の完成品をそれぞれ示している。縮尺模型５００は、透明アクリル板等の透過素材が接着剤などで貼り合わせることによって構成されている。このような構成であるために、縮尺模型５００は中空となっている。この中空構造により、縮尺模型５００内部でのレーザー光の減衰を妨げることができる。

なお、透明アクリル板に代えて、ガラス板などの透過素材を用いることも可能である。また、透明アクリル板の厚さは、５ｍｍ以下で強度的な観点を満足する程度の厚さのアクリル板が好ましい。特に透明アクリル板の板厚を３ｍｍ以下とすると、レーザー光の入射角による反射を抑える効果もある。

このような透明アクリル板からなる縮尺模型５００を測定に用いると、縮尺模型５００でレーザー光が透過されるので、模型の背面でも模型の死角部（影部）が生じることがなく、流れ場の測定不能領域が格段に減少する。

図３は本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法で用いる縮尺模型の変形例を示す図である。図３の縮尺模型５００は、上部のみ透明アクリル板などの透明素材が用いられ、下部は非透明の従来素材が用いられてなるものである。このような縮尺模型５００を用いて、測定系においてはレーザーシートを縮尺模型５００の透明部とクロスさせて、流れ場の測定を行えば、死角部（影部）が生じることがなく、流れ場の測定不能領域が減少することとなる。

既存の縮尺模型群が既に存在する場合、その模型群の一部として図３に示すような縮尺模型５００を用いることで、模型全体作り直すなどの大幅なコストを要することなく、関心のある箇所のみの流れ場の測定を行うことが可能となる。

次に、本発明の流れ場測定方法で用いる縮尺模型の他の例について説明する。図４は本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法で用いる縮尺模型群を示す図である。図４は透明素材で作製された縮尺模型を複数用いてレーザーシートを照射して測定を行っている様子を示している。このような縮尺模型が複数用いられた測定対象において、縮尺模型の各々には透明素材が用いられているので、死角部（影部）が生じることがない。このため、動画撮像装置６００によって、微小粒子の動きを撮影することが不能な箇所が減少して、測定不能領域が大幅に減少することとなる。

このような縮尺模型群を用いた測定は従来の方法ではほぼ不可能であったが、本発明によれば、上記のように可能となる。また、
また、縮尺模型の床面、周辺も同様の素材で作製することで、鉛直、水平、斜めの全ての角度（任意の角度）からの死角なしの測定が可能となる。

次に実施例について説明する。実施例では風洞としては回流式境界層風洞のものを用いて風速測定を行った。また、測定に用いた縮尺模型５００はＢ：Ｄ：Ｈ＝３：３：１２ｃｍのアスペクト比４の正方形角柱である。また、実施例では縮尺模型５００を用いて、図
５（Ａ）乃至（Ｃ）に示す３つの配置で測定を行った。風洞実験で用いた気流の鉛直分布を図６に示す。

流れ場の測定は、表１に示すＰＩＶシステムを用いて、測定領域２２×１６ｃｍ、サンプリング周波数５００Ｈｚ、実時間３秒間で時系列計測を行った。計測に必要なトレーサー粒子は模型風下から放出し風洞内を回流させ均一に充満させた。測定された画像の検査領域単位は３２×３２ｐｉｘｅｌｓであり、隣接する画像同士の検査領域のオーバーラップは５０％として算定している。

次に、実施例における測定結果について説明する。図７には各配置における平均風速ベクトルを示し、図８には各配置における変動風速を示す。計測高さは（２／３）Ｈのレベルである。図７（Ａ）の単独建物における平均風速ベクトルは風上壁面の中央で左右に分かれ、建物後方には上下対称な渦が見られる。この渦は時系列データから周期的に発生する交番渦によるものであることが確認できる。図８（Ａ）の変動風速の標準偏差では、建物側面から後方に向かって高い領域が広がり、上下対称な分布となっている。

また、（Ｂ）の配置ケースでは、隣接建物の影響を考察するため風上側１Ｄの位置に同寸法の建物を設置している。図７（Ｂ）の平均風速ベクトルでは、風下側建物の後流域が図５（ａ）に較べて大幅に縮小しており、対称渦も明確でない。また、２棟間の風速ベクトルは、逆流方向が卓越している。図８（Ｂ）の変動風速の標準偏差でも同様に単独建物に比べて建物側面から後方に広がる高い変動領域が減少している。

（Ｃ）の２棟雁行の場合は、風下側建物の応答が、単独で建っている場合に比べて風方向、風直角方向とも１〜２割増大する配置である。図７（Ｃ）の平均風速ベクトルから分かるように、風上側建物の下側角部から剥離した流れが後方建物まで達し、風下側建物と強く干渉しており、風下建物の上側（２棟間）の風速より、下側（外側）の風速が大きくなっている。更に、建物後方を見ると風上建物の下側、風下建物の上側に明確な渦が見られる。図８（Ｃ）の標準偏差からは、２棟の外側で高い値の領域が見られ、特に風下建物の両側面後方に高い値の領域が非対称に存在している。

このように、従来の測定手法では計測が困難であった背面側（死角）の領域について、模型素材を工夫することで計測が可能であることを確認することができた。

以上、本発明の流れ場測定方法によれば、模型を透明素材で構成するために、レーザーシートが当該模型を透過するので、模型の死角部（影部）が生じることがなく、流れ場の測定不能領域が格段に減少する。また、特に、透明素材からなる模型を複数配置して測定
すれば、複雑な街並みを模擬した流れ場の測定が可能となる。

本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法における測定のための構成の概要を示す図である。 本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法で用いる縮尺模型を示す図である。 本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法で用いる縮尺模型の変形例を示す図である。 本発明の実施の形態に係る流れ場測定方法で用いる縮尺模型群を示す図である。 実施例で用いた縮尺模型の配置を示す図である。 実施例で用いた気流の鉛直分布を示す図である。 実施例の各配置における平均風速ベクトルを示す図である。 実施例の各配置における変動風速を示す図である。 ＰＩＶによる流れ場測定を簡略的に説明する図である。

符号の説明

１００・・・ＰＩＶシステム、２００・・・レーザー光源、３００・・・光学系、４００・・・ステージ、５００・・・縮尺模型、６００・・・動画撮像装置

Claims (3)

1. 風洞内に微小粒子の流れを形成する工程と、
   この流れを模型にあてる工程と、
   前記模型にレーザー光を照射する工程と、
   レーザー光の照射により光る微小粒子の様子を動画像撮像装置で撮影する工程と、
   前記動画像撮像装置で撮影された画像を解析することで前記模型周辺の流れ場を測定する工程と、を有する流れ場測定方法において、
   前記模型を透明素材で構成することを特徴とする流れ場測定方法。
2. 前記模型は中空であることを特徴とする請求項１に記載の特徴とする流れ場測定方法。
3. 前記模型の一部のみが透明素材で構成されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の特徴とする流れ場測定方法。

Images