JP2011058824A

JP2011058824A - 可視化トレーサ

Info

Publication number: JP2011058824A
Application number: JP2009205629A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Arimitsu; 剛有光
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-09-07
Filing date: 2009-09-07
Publication date: 2011-03-24

Abstract

【課題】河川用の水理模型に対して粒子追跡速度計法（ＰＴＶ法)を用いて個々のトレーサを画像で認識することが可能であり、これにより正確な河川の面的な流速分布を計測することが可能な可視化トレーサを提供する。
【解決手段】この可視化トレーサ１００によれば、本体部１０１の直径が約１０ｍｍ〜２０ｍｍであることから、急流河川の流速を計測するための水理模型に用いても画像による識別が可能となるため、粒子追跡速度計法（ＰＴＶ法)を用いた面的な流速分布の計測が可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、粒子追跡速度計法を用いた流体可視化計測装置に用いられる可視化トレーサに関する。

河川用の水理模型を用いて流速を計測するためには、流速計を用いた計測、および粒子追跡速度計法（ＰＴＶ法：Particle Tracking Velocimetry)を用いた計測が考えられる（下記特許文献１）。特に、勾配が１／１０００程度の河川に対して、勾配が１／８０以上の勾配を有する急流河川では、河川の流れが速く、複雑であることから、水理模型を用いた流速を計測することが重要である。

しかし、急流河川用の水理模型において、たとえば川幅が０．５ｍから１ｍ、流量が０．００８５ｍ^３／ｓから０．０１７ｍ^３／ｓの場合には、水深は２０ｍｍ〜３０ｍｍ程度であり、市販されている流速計は水深以上の大きさを有しているために、水理模型に対して用いることができない。また、水理模型の模型スケールが十分に大きく、市販の流速計を設置するのに十分な水深を確保できる場合や、小型の流速計が開発された場合には、急流河川の一部の流速を計測することはできても、急流河川の面的に計測領域全体の流速を測定することはできない。また、流速計の周囲の流れを乱し、正確な流速を測定することができない。

また、追跡速度計法（ＰＴＶ法）において、トレーサを用いて流体の流れを可視化し、ビデオに撮影された画像からコンピュータを用いてトレーサの挙動を解析して、面的な流速分布を計測することも考えられる。しかし、現在用いられている追跡速度計法（ＰＴＶ法）は、最大数平方センチメールの画像範囲を想定したものであり、用いられるトレーサには直径数十μｍ〜数百μｍのナイロン粒子が用いられている。

そのため、急流河川用の水理模型（全長約３０ｍ、川幅約１．６ｍ）において、画像により測定される範囲がメートル単位になると（撮影カメラ位置は液面より約５ｍの高さ）、上記ナイロン粒子を用いたトレーサでは、個々のトレーサを画像で認識することはできず、トレーサ全体が大きなまとまりとなり（液体を流出させたような状態）、面的な流速分布を計測することはできない。また、ナイロン粒子を用いたトレーサを回収することは困難で、再利用することができない。

また、ナイロン粒子は比重の調整ができないため、流体の任意の深さにナイロン粒子を分布させることができない。特に、河川の湾曲部においては表層の流れと内部の流れとが異なることが知られており、蛇行河川の水理模型においては河川の表層の流れを計測することが重要となる。

特開２００６−３００８２４号公報

この発明が解決しようとする課題は、急流河川用の水理模型には流速計を用いることができない点、また、追跡速度計法（ＰＴＶ法）において用いられるトレーサ（ナイロン粒子等）では、個々のトレーサを画像で認識することはできず、正確な河川の流れを計測することができない点にある。

したがって、この発明は上記課題を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、河川用の水理模型に対して追跡速度計法（ＰＴＶ法）を用いて個々のトレーサを画像で認識することが可能であり、これにより正確な河川の面的な流速分布を計測することを可能とする可視化トレーサを提供することにある。

この発明に基づいた、可視化トレーサにおいては、河川の流速を計測するための水理模型に用いられる可視化トレーサであって、略球体形状の本体部と、上記本体部に設けられる比重調節手段とを備え、上記本体部の直径は、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍである。

上記発明の他の形態においては、上記本体部は略球体形状である。
上記いずれかの発明の他の形態においては、当該可視化トレーサは、上記比重調節手段により水理模型に用いられる水の比重と略同じとなるように調節される。

上記いずれかの発明の他の形態においては、上記本体部の表面は蛍光色に塗装される。

この発明に基づいた可視化トレーサによれば、追跡速度計法（ＰＴＶ法）において、個々のトレーサを画像で認識することを可能とし、これにより、正確な河川の面的な流速分布を計測することが可能となる。

本実施の形態における可視化トレーサの形状を示す第１図である。本実施の形態における可視化トレーサの形状を示す第２図である。本実施の形態における可視化トレーサの水中での状態を示す図である。本実施の形態における可視化トレーサが用いられる急流河川の流速を計測するための水理模型を示す平面図である。本実施の形態における可視化トレーサの流れの状態を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照して詳細に説明する。なお、以下に示す実施の形態においては、同一または対応する部分について図中同一の符号を付し、その説明は繰り返さないことにする。また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、本発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。

本発明に基づいた実施の形態における可視化トレーサは、河川の流速を計測するための水理模型に用いられるものである。

（可視化トレーサ１００）
まず、図１および図２を参照して、実施の形態における可視化トレーサ１００について説明する。この可視化トレーサ１００は、水よりも比重が小さい材質からなる球体形状の本体部１０１を有している。本体部１０１の直径は約１０ｍｍ〜２０ｍｍ程度が好ましい。本実施の形態では、直径１５ｍｍとしている。本体部１０１の直径は、最大値は、水理模型における水深により制限され、下限はカメラによる撮影において、可視化トレーサ１００を画像処理において認識できる大きさにより制限される。

本体部１０１の材質としては、塩化ビニール等の樹脂材料が好適に用いられる。なお、木材等を用いることも可能である。表面には、オレンジ色、赤色、黄色等による蛍光色を塗布し、画像による識別性の向上を図っている。なお、画像による識別が可能であれば、本体部１０１に施される色彩はどのような色彩であってもかまわない。また、本体部１０１は完全な真球である必要ななく、ラグビーボールのような球形でもよく、画像による識別が可能であれば、本体部１０１の形状はどのような形状であってもかまわない。

本体部１０１には、中心部を貫通する孔１０２が設けられている。この孔１０２に図２に示すように、錘１１０を装着することで、可視化トレーサ１００自体の比重を調節することができる。孔１０２と錘１１０とにより比重調節手段を構成する。

比重を調整しない場合には、本体部１０１は水面上に浮遊した状態になる。これでは、流体の表層の流れを正確に測定することはできない。また、外気流れの影響を受けることも考えられる。そこで、上記したように錘１１０を装着し水理模型１に用いられる水の比重と略同じとなるように錘１１０を用いて可視化トレーサ１００自体の比重を調節することで、図３に示すように、可視化トレーサ１００を完全に水中に沈めた状態で、河川の表層部分を漂わせることができる。また、可視化トレーサ１００を水理模型１に用いられる水の比重よりも大きくなるように調節することで、河川の底層部分を漂わせることができる。これにより、河川の深さ方向における水の流れを忠実に可視化することが可能となる。

（水理模型１による可視化トレーサの流れ）
次に、本実施の形態における可視化トレーサ１００を用いた場合の、水理模型による可視化トレーサの流れについて説明する。図４は、モルタル製の急流河川用の水理模型１の全体を示す平面図であり、全長は３０ｍ、勾配は１／８０、水が流れる川幅は約１ｍである。図示において右側が上流、左側が下流である。図４中のＸで囲まれた領域の拡大図を図５に示す。撮影カメラ位置は、液面より約５ｍの高さ位置に設置されている。なお、図５中において、砂２、３を用いて川幅を一部狭くする領域を設けている。

図５において、Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３は、それぞれ本実施の形態における可視化トレーサ１００を示し、Ｐ１−０は測定開始位置、Ｐ１−１〜Ｐ１−５は、それぞれ一定時間経過後の可視化トレーサ１００の位置を示している。Ｐ２およびＰ３についても同様である。

Ｐ１の場合、一定時間における移動距離がＰ２に比較して小さいため、Ｐ２の位置における流速よりもＰ１の位置における流速の方が小さいことが計測できる。反対に、Ｐ２の場合、一定時間における移動距離がＰ１に比較して大きいため、Ｐ１の位置における流速よりもＰ２の位置における流速の方が大きいことが計測できる。また、Ｐ３の位置においては、Ｐ３−３、Ｐ３−４、Ｐ３−５、および、Ｐ３−６において流れが渦となることが計測できる。

また、本実施の形態における可視化トレーサ１００は、形状が大きいことから、水理模型１の下流側において網等を用いた回収が可能であり、可視化トレーサ１００を再利用することが可能である。

（作用・効果）
以上、本実施の形態における可視化トレーサ１００によれば、本体部１０１の直径が約１０ｍｍ〜２０ｍｍであることから、急流河川の流速を計測するための水理模型に用いても画像による識別が可能となるため、粒子追跡速度計法（ＰＴＶ法)を用いた正確な河川の面的な流速分布を計測することが可能となる。

また、可視化トレーサ１００の比重を調節することで、可視化トレーサ１００を完全に水中に沈めた状態で、河川の表層部分を漂わせることや、河川の底層部分を漂わせることができるため、河川の深さ方向での流速を計測することも可能となる。さらに下流側での回収が可能であるため、可視化トレーサ１００の再利用も可能となる。

なお、上記実施の形態では、水理模型として急流河川（勾配１／８０）の場合について説明しているが、通常の河川（勾配１／１０００）を想定した水理模型に対しても、本発明に基づく可視化トレーサを用いることは可能である。

なお、今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

１水理模型、２，３砂、１００可視化トレーサ、１０１本体部、１０２孔、１１０錘。

Claims

河川の流速を計測するための水理模型(1)に用いられる可視化トレーサ(100)であって、
本体部(101)と、
前記本体部(101)に設けられる比重調節手段(102,110)と、を備え、
前記本体部(101)の直径は、約１０ｍｍ〜約２０ｍｍである、可視化トレーサ。
前記本体部(101)は略球体形状である、請求項１に記載の可視化トレーサ。
当該可視化トレーサは、前記比重調節手段(102,110)により水理模型(1)に用いられる水の比重と略同じとなるように調節される、請求項１または２に記載の可視化トレーサ。
前記本体部(101)の表面は蛍光色に塗装される、請求項１から３のいずれかに記載の可視化トレーサ。