JP2020038135A - 風洞施設及び風洞試験方法 - Google Patents

Abstract

【課題】可視化試験に要するコストを低減可能な風洞施設を提供する。【解決手段】風路１１及び送風機１２を備え、風路１１の中途位置に試験体１４が配置される測定部１３が形成され、送風機１２により送風された風が測定部１３でＸ方向に流れる風洞施設１０が、ライダ２０と情報処理装置３０とを備え、ライダ２０がレーザー光２１を放射するとともに反射光２２を受信するスキャン処理を所定の周期Ｔｎごとに繰り返し、所定の測定領域１５の全域に対してスキャン処理を行う構成であり、そのスキャン処理の繰り返しにより測定された測定値である複数の粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘに基づいて、情報処理装置３０により、試験体１４の周囲の風の流れを可視化する処理を行う構成である。【選択図】図１

Description

本開示は、風洞施設及び風洞試験方法に関し、より詳細には、試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化する風洞施設及び風洞試験方法に関する。

風洞施設としては、粒子画像流速計測法を用いた測定器（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ；ＰＩＶ）や粒子追跡法を用いた測定器（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｔｒａｃｋｉｎｇ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ；ＰＴＶ）を用いて試験体の周囲の風の流れを可視化するものが提案されている。（例えば、特許文献１を参照）。また、ドップラー周波数偏移を利用するレーザードップラー流速計（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｅｒ；ＬＤＶ）を用いて試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化するものも提案されている。

特開２０１１−１７６００号公報

ところで、粒子画像流速計測法、粒子追跡法、及びドップラー周波数偏移を利用する方法は、人体（皮膚や目）に障害を与えるおそれがある高出力のレーザー光を放射する方法である。それ故、それらの方法を用いる区域は、国際電気標準会議（Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｃｏｍｍｉｓｓｉｏｎ；ＩＥＣ）の規格（ＩＥＣ ６０８２５−１）や日本工業規格（ＪＩＳ Ｃ６８０２）で規定されるレーザー管理区域に限定される。

つまり、風洞施設は少なくとも一部がレーザー管理区域であり、保護具の着用や様々な安全装置の設置が義務付けられることから、可視化試験に掛かるコストが高くなるという問題があった。また、それらの流速計は、測定範囲が狭く、可視化試験又は情報化試験に要する時間を短縮することができないこともコストが高くなる要因になっている。
本開示の目的は、試験体の周囲の風の流れの可視化する又は情報化する試験に要するコストを低減可能な風洞施設を提供することである。

上記の目的を達成する本発明の一態様の風洞施設は、風路、及び、送風機を備え、前記風路の中途位置に試験体が配置される測定部が形成され、前記送風機により送風された風が前記測定部で一方向に流れる風洞施設において、測定手段と処理手段とを備え、前記測定手段は、所定のレーザー光をパルス状に放射するライダを有し、そのライダが、前記レーザー光を放射するとともに放射したそのレーザー光が前記送風機により送風された風に含有される粒子で反射された反射光を受信するスキャン処理を所定の周期ごとに繰り返し、所定の測定領域の全域に対して複数回の前記スキャン処理を行う構成であり、前記処理手段は、前記測定手段による複数回の前記スキャン処理の繰り返しにより測定された測定値である前記測定領域に存在する複数の粒子の移動速度、移動方向、及び、位置座標に基づいて、前記試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化する処理を行う構成であることを特徴とする。

上記の目的を達成する本発明の一態様の風洞試験方法は、風路の上流側から送風機により前記風路の中途位置に形成された測定部で一方向に流れる風を送風し、前記測定部に配置された試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化する風洞試験方法であって、所定のレーザー光を放射するとともに放射したそのレーザー光が前記送風機により送風された風に含有される粒子で反射された反射光を受信するスキャン処理を所定の周期ごとに繰り返し、所定の測定領域の全域に対して複数回の前記スキャン処理を行って、前記測定領域に存在する複数の粒子の移動速度、移動方向、及び、位置座標を測定値として測定し、測定した前記測定値に基づいて、前記試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化することを特徴とする。

本発明の一態様によれば、試験体の周囲の風の流れの可視化する又は情報化する試験に要するコストを低減することができる。

風洞施設の第一実施形態を例示する天井面から見た平面図である。 図１の風洞施設を例示する側面から見た側面図である。 図１の測定装置及び情報処理装置を例示するブロック図である。 図３の測定装置による測定原理を例示する図である。 図３のディスプレイへの出力を例示する図である。 風洞試験方法を例示するフロー図である。 風洞施設の第二実施形態を例示する天井面から見た平面図である。 風洞施設の第三実施形態を例示する天井面から見た平面図である。

以下に、風洞施設１０の実施形態について説明する。図中では、Ｘ方向を風路１１の筒軸方向（一方向）とし、Ｙ方向をＸ方向に直交する方向で、風路１１の筒径方向のうちの水平方向として、Ｚ方向をＸ方向及びＹ方向に直交する方向で、風路１１の筒径方向のうちの鉛直方向とする。また、本開示では、周期的に変化する数値に関する符号にｎを用いて、今回の周期における数値には符号にｎを用いて、前回の周期における数値には符号に（ｎ＋１）を用いることとする。

図１及び図２に例示するように、第一実施形態の風洞施設１０は、人工的に風の流れを発生させて、発生させた風の流れの中に試験体１４を置き、試験体１４の周りの気流の風速、風向を測定して可視化又は情報化する試験施設である。風洞施設１０としては、エッフェル型風洞やゲッチンゲン型風洞が例示される。風洞施設１０は、風路１１、送風機１２、ライダ２０、及び情報処理装置３０を備える。

なお、実施形態の風洞施設１０は、測定手段として少なくとも一つのライダ２０を備えるとともに、処理手段として情報処理装置３０を備える構成としたが、本開示の風洞施設１０はこの構成に限定されない。例えば、測定手段が、少なくとも一つのライダ２０及び情報処理装置３０の組み合わせで構成されて、ライダ２０で検出した検出値に基づいて情報処理装置３０で測定値を算出する構成としてもよい。

風路１１は、風の通り道となる筒状の通路であり、エッフェル型風洞の場合に戻り風路が無くＸ方向に延在する筒状の通路で構成され、ゲッチンゲン型風洞の場合に環状の閉ループとなる筒状の通路で構成される。風路１１の中途位置には、試験体１４が設置される測定部１３が形成される。

送風機１２は、風路１１に設置されて、風路１１の内部に風を発生させる装置である。送風機１２としては、軸流送風機や遠心送風機が例示される。送風機１２により発生させた風には、大気中に含有される粒子（エアロゾルを含む）Ｍｘが含まれる。なお、送風機１２により発生させた風に含有される粒子Ｍｘが、試験において不十分な量であれば、トレーサ粒子を発生させるトレーサ粒子発生機を風の流れに関して送風機１２の下流側で、且つ、測定部１３の上流側に設置してもよい。

測定部１３は、風路１１の中途位置であって、風の流れに関して送風機１２の下流側に形成され、Ｚ方向に対向配置される天井面１３ａ及び底面１３ｂと、Ｙ方向に対向配置される側面１３ｃ、１３ｄとで囲まれた空間である。なお、この実施形態で測定部１３は、Ｘ方向に見て天井面１３ａ、底面１３ｂ、及び側面１３ｃ、１３ｄの四つの面に囲まれた矩形の空間で形成されるが、これに限定されない。例えば、測定部１３は、底面１３ｂとＸ方向に見て天井面１３ａ及び側面１３ｃ、１３ｄに相当するＺ方向上方に向かって窪んだ円弧面とで囲まれた空間であってもよい。測定部１３は、平面視で底面１３ｂの中心部に試験体１４が配置される。また、測定部１３は、一方の側面１３ｄにライダ２０が配置される。

測定部１３には、試験体１４を含む領域である測定領域１５が設定される。測定領域１５は、試験における可視化又は情報化の対象となる領域である。測定領域１５は、三次元空間であり、その三次元空間に格子状に配置される複数の測定点１６を有する。複数の測定点１６は、試験における測定点として、測定領域１５のＸ方向、Ｙ方向、及び、Ｚ方向のそれぞれに等間隔に配置される。測定領域１５及び測定点１６は、実際に目視にて存在するものではなく、試験における結果表示に用いられる。

測定領域１５は、ライダ２０から放射されるレーザー光２１が当たる領域であり、ライダ２０が設置される側面１３ｄ以外の面に設定される領域である。この実施形態の測定領域１５は側面１３ｄ以外の面の全域に設定されるが、測定領域１５は試験体１４を含む領域であればよく、天井面１３ａ、底面１３ｂ、及び側面１３ｃのそれぞれの一部の領域に設定されてもよい。

測定部１３は、その内表面のうちの測定領域１５に存在する部位、つまり、ライダ２０から放射されるレーザー光２１が当たる部位が電磁波吸収体１７で覆われる。具体的に、この実施形態で、測定部１３は、ライダ２０が設置される側面１３ｄを除く天井面１３ａ、底面１３ｂ、及び、側面１３ｃのそれぞれが電磁波吸収体１７で覆われる。

本開示において、電磁波吸収体１７は、外部から入射する光（電磁波）を吸収する物質であり、外部から入射する光のうちの９０％以上を吸収するものが望ましい。電磁波吸収体１７としては、工業的に作り出されて最も黒体（外部から入射する光（電磁波）をあらゆる波長に渡って完全に吸収する物体）に近く、外部から入射する光（電磁波）のうちの９９．９６％以上を吸収するベンタブラックが例示される。

試験体１４は、測定部１３に配置される。試験体１４は、その周囲の風の流れを可視化させたい対象そのものを用いてもよく、その対象を模した形状を成したものを用いてもよい。試験体１４は、その外表面のうちの測定領域１５に存在する部位、つまり、ライダ２０から放射されるレーザー光２１が当たる部位が電磁波吸収体１８で覆われる。具体的に、この実施形態で、試験体１４は、ライダ２０からＹ方向に見て、反対側の面を除いた部位のそれぞれが電磁波吸収体１８で覆われる。本開示で、電磁波吸収体１８は、前述した電磁波吸収体１７と同様の物質である。

ライダ２０は、測定部１３の側面１３ｄに少なくとも一つ設置されて、パルス状のレーザー光２１を放射して、測定領域１５の全域に対して複数回のスキャン処理を行うことで、測定領域１５に存在する複数の粒子Ｍｘの移動速度（風速）Ｖｘ、移動方向（風向）Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘを測定値として測定する装置である。ライダ２０は、この実施形態で測定部１３に一つ設置されるが、後述する第二実施形態のように測定部１３に複数設置されてもよい。

図３に例示するように、ライダ２０は、光源装置２３、スキャナ２４、光学装置２５、方向調整機２６、干渉計２７、光受信機２８、及び、信号処理機４０を有する。ライダ２０は、レーザー光２１を放射するとともに反射光２２を受信するスキャン処理を所定の周期Ｔｎごとに繰り返し、所定の測定領域１５の全域に対してスキャン処理を行う装置である。換言すると、ライダ２０は、測定領域１５に存在する風により移動する粒子Ｍｘを対象とし、３Ｄスキャナセンサとしての機能とドップラーセンサとしての機能との二つの機能を有する装置である。

ライダ２０としては、測定領域１５の全域に渡って周期Ｔｎごとにスキャン処理を繰り返し行うことができればよい。ライダ２０は、レーザー光２１を円錐状に放射する３次元のコーンビーム方式や、扇状に放射する２次元のファンビーム方式が例示され、コーン角やファン角が任意に設定可能である。ライダ２０は、レーザー光２１の放射範囲が測定領域１５よりも狭い場合に、光学装置２５の放射方向Ｄｎ（レーザー光２１の中心の方向）が方向調整器２６により可変可能な構成であることが望ましい。また、ライダ２０は、周期ＴｎごとにＸ方向左右に放射方向Ｄｎが所定の間隔θｎで可変するものが好ましく、周期ＴｎごとにＸ方向のうちの風の流れに関して上流側から下流側に向かって放射方向Ｄｎが所定の間隔θｎで可変するものがより好ましい。放射方向Ｄｎを風の流れに関して上流側から下流側に向かって可変させることで、測定領域１５に存在する粒子Ｍｘの移動を周期Ｔｎごとに捕捉するには有利になる。なお、光学装置２５の放射方向ＤｎをＺ方向上下に可変させる構成にしてもよい。

レーザー光２１は、ＩＥＣ６０８２５−１（国際電気標準会議の規格）やＪＩＳ Ｃ６８０２（日本工業規格）で規定されるクラス１に準拠するレーザー光である。レーザー光２１は、クラス１に準拠するレーザー光であればよいが、波長λ１が１．４μｍ以上且つ２．６μｍ以下の赤外レーザー光（アイセーフレーザー光ともいう）が望ましい。

レーザー光２１は、合理的に予見可能な運転状況下において安全であるレーザーであり、仮に光学系により集光されたとしても眼に対して安全なレベルのレーザーである。レーザー光２１を用いることで、試験中の作業者の皮膚への被曝や目視による眼の損傷の危険性がなくなり、安全性の確保に有利になる。また、レーザー光２１を用いることで、ライダ２０に対してクラス１を示すレベルを貼る以外の対策は要求されていないことから、コストの高い安全対策をする必要がなくなり、安全対策に対するコストの削減には有利になる。

反射光２２は、送風機１２により送風された風とともに運ばれる粒子Ｍｘにレーザー光２１が照射されると、その周波数ｆ２がドップラー効果によって放射時のレーザー光２１の周波数ｆ１からわずかに偏移する。つまり、レーザー光２１の周波数ｆ１と反射光２２の周波数ｆ２との周波数の偏移量（以下、偏移周波数という）Δｆｎは、放射時のレーザー光２１の周波数ｆ１と、ドップラーシフトした反射光２２のうちの後方散乱光の周波数ｆ２との差分である。本開示で、偏移周波数Δｆｎは、周波数ｆ１から周波数ｆ２を減算した値であり、その値が正の場合に粒子Ｍｘが放射方向Ｄｎに向かって移動する場合を示し、負の場合に粒子Ｍｘが放射方向Ｄｎの反対側に向かって移動する場合を示すものとする。

所定の周期Ｔｎは、レーザー光２１を放射する間隔を規定するパラメータであり、送風機１２により送風される風速に応じて設定することが可能であり、その風速が速くなるほど短くすることが望ましい。所定の間隔θｎは、放射方向Ｄｎを規定するパラメータであり、光学装置２５のＸ方向左右への回動角である。所定の間隔θｎは、送風機１２により送風される風速が速くなるほど大きくすることが望ましい。この実施形態で所定の間隔θｎは回動角を示すが、所定の間隔はこれに限定されずに光学装置２５のＸ方向左右への移動距離としてもよい。

信号処理機４０は、各種情報処理を行う中央処理装置（ＣＰＵ：Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。信号処理機４０は、光源装置２３、スキャナ２４、及び、方向調整機２６に電気的に接続される。また、信号処理機４０は、情報処理装置３０に電気的に接続されて、情報処理装置３０で設定されるスキャン処理情報が入力される。

信号処理機４０は、機能要素として、スキャン処理制御部４１、位置情報処理部４２、速度情報処理部４３、及び、粒子情報処理部４４を有する。各機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央処理装置により実行されている。

スキャン処理制御部４１は、情報処理装置３０で設定されるスキャン処理情報が入力されて、そのスキャン処理情報に基づいて、光源装置２３、スキャナ２４、及び、方向調整機２６を制御して、測定領域１５の全域に渡ってスキャン処理を繰り返し行わせる機能要素である。ここでいうスキャン処理情報とは、測定領域１５、周期Ｔｎや間隔θｎの情報である。

位置情報処理部４２は、レーザー光２１の放射から反射光２２の受信までの往復時間Δｔｎに応じて、ライダ２０から対象となる粒子Ｍｘまでの距離Ｌｎを算出する機能要素である。また、位置情報処理部４２は、算出したその距離Ｌｎと放射方向Ｄｎとに応じて対象となる粒子Ｍｘの位置座標Ｐｘを算出する機能要素である。位置情報処理部４２は、往復時間Δｔｎを計測して、ＴＯＦ（Ｔｉｍｅ Ｏｆ Ｆｌｉｇｈｔ）方式により距離Ｌｎを算出可能であればよい。ＴＯＦ方式としては、具体的に位相差距離方式やパルス伝播方式が例示される。また、位置情報処理部４２は、光学装置２５により放射方向Ｄｎを可変する場合に、試験開始時の放射方向を初期値として、所定の間隔θｎを周期Ｔｎごとに加算して放射方向Ｄｎを算出し、光学装置２５の位置を原点として、対象となる粒子Ｍｘの位置座標Ｐｘを算出可能であればよい。

速度情報処理部４３は、ドップラー効果によるレーザー光２１及び反射光２２の間の偏移周波数Δｆｎに応じて、対象となる粒子Ｍｘの放射方向Ｄｎの速度Ｖｎを算出する機能要素である。具体的に、速度Ｖｎは、下記の数式（１）により求められる。ここでレーザー光２１の周波数をλ１とする。

図４に例示するように、粒子情報処理部４４は、対象となる粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び位置座標Ｐｘを測定する機能要素である。具体的に、粒子情報処理部４４は、対象となる粒子Ｍｘにおいて、今回の周期Ｔｎにおける往復時間Δｔｎに応じた距離Ｌｎと、前回の周期Ｔ（ｎ−１）における往復時間Δｔ（ｎ−１）に応じた距離Ｌ（ｎ−１）及び偏移周波数Δｆ（ｎ−１）に応じた速度Ｖ（ｎ−１）とに基づいて、前回の周期Ｔ（ｎ−１）における対象となる粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘを測定する機能要素である。

対象となる粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘを測定する場合に、前回の周期Ｔ（ｎ−１）における距離Ｌ（ｎ−１）と、今回の周期Ｔｎにおける距離Ｌｎとを取得する必要がある。そこで、測定領域１５に存在する複数の粒子Ｍｘの中から対象となる粒子Ｍｘを特定する方法として、前回の周期Ｔ（ｎ−１）における対象となる粒子Ｍｘの放射方向Ｄｎの速度Ｖ（ｎ−１）に基づいて今回の周期Ｔｎにおける対象となる粒子Ｍｘの移動先を予測して特定することで、今回の周期Ｔｎにおける距離Ｌｎを特定することが可能となる。このように、ライダ２０が３Ｄスキャナセンサとしての機能とドップラーセンサとしての機能との二つの機能を有することで、対象となる粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘを取得することが可能となる。なお、対象となる粒子Ｍｘを特定する方法における距離Ｌｎ、Ｌ（ｎ−１）は周期Ｔｎごとの位置座標と置き換えてもよい。

情報処理装置３０は、各種情報処理を行う中央処理装置、その各種情報処理を行うために用いられるプログラムや情報処理結果を読み書き可能な内部記憶装置、及び各種インターフェースなどから構成されるハードウェアである。情報処理装置３０は、ライダ２０に電気的に接続される。なお、情報処理装置３０で、風洞施設１０の風速などの試験環境を調節する場合は、情報処理装置３０が送風機１２に電気的に接続される。

情報処理装置３０は、機能要素として、スキャン設定部３１、可視化処理部３２、及び、表示制御部３３を有する。各機能要素は、プログラムとして内部記憶装置に記憶されていて、適時、中央処理装置により実行されている。

スキャン設定部３１は、スキャン処理情報を設定する機能要素であり、送風機１２により送風される風速、試験体１４、測定領域１５を含む情報に基づいて、測定領域１５、周期Ｔｎや間隔θｎを設定する機能要素である。

可視化処理部３２は、ライダ２０により測定した複数の粒子Ｍｘにおける移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び位置座標Ｐｘに基づいて、測定領域１５の各測定点１６における風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを算出する機能要素である。この各測定点１６における風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを算出する方法は特に限定されない。例えば、可視化処理部３２は、複数の粒子Ｍｘの位置座標Ｐｘと各測定点１６の位置座標とを比較し、測定点１６の周囲の複数の粒子Ｍｘにおける移動速度Ｖｘ及び移動方向Ｄｘの平均値を算出し、算出した値をその測定点１６の風速Ｖｚ及び風向Ｄｚとしてもよい。また、可視化処理部３２は、測定点１６に存在する、あるいはその近傍に存在する粒子Ｍｘにおける移動速度Ｖｘ及び移動方向Ｄｘをその測定点１６の風速Ｖｚ及び風向Ｄｚとしてもよい。

表示制御部３３は、可視化処理部３２で算出された各測定点１６における風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを情報処理装置３０のディスプレイ３４に表示させる機能要素である。表示制御部３３は、算出された数値である風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを図形や記号に変換してディスプレイ３４に表示させる機能要素である。また、表示制御部３３は、測定領域１５における任意の断面を表示領域１９として設定可能であり、設定した表示領域１９に存在する各測定点１６の風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを図形や記号に変換してディスプレイ３４に表示させる機能要素でもある。

図６に例示するように、本開示の風洞試験方法は、測定領域１５の全域に渡って複数回のスキャン処理を繰り返して測定値を測定し、測定したその測定値に基づいて試験体１４の周囲の風の流れを可視化する方法である。

測定者が情報処理装置３０に送風機１２により送風される風速、試験体１４、測定領域１５を含む情報を入力すると、情報処理装置３０のスキャン情報設定部３１によりスキャン情報が設定される（Ｓ１１０）。

次いで、設定されたスキャン情報がライダ２０の信号処理機４０に送信されて、信号処理機４０のスキャン処理部４１により測定領域１５の全域に渡って複数回のスキャン処理が行われる（Ｓ１２０）。この実施形態のスキャン処理は、入力されたスキャン情報に基づいて、周期Ｔｎごとに放射方向Ｄｎを間隔θｎずつずらすことで測定領域１５の全域に渡って、レーザー光２１の放射と反射光２２の受信とを繰り返す処理である。

次いで、スキャン処理が完了すると、信号処理機４０の位置情報処理部４２、速度情報処理部４３、及び、粒子情報処理部４４により、周期Ｔｎごとのスキャン処理により取得した往復時間Δｔｎと偏移周波数Δｆｎとに応じて、測定領域１５に存在する複数の粒子Ｍxの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘを測定する（Ｓ１３０）。具体的に、このステップでは、まず、位置情報処理部４２により周期Ｔｎごとの往復時間Δｔｎに応じた距離Ｌｎを算出する。次いで、速度情報処理部４３により周期Ｔｎごとの偏移周波数Δｆｎに応じた放射方向Ｄｎの速度Ｖｎを算出する。次いで、粒子情報処理部４４により、対象となる粒子Ｍｘに対して、今回の周期Ｔｎにおける距離Ｌｎと、前回の周期Ｔ（ｎ−１）における距離Ｌ（ｎ−１）及び放射方向Ｄ（ｎ−１）の速度Ｖ（ｎ−１）とに基づいて、前回の周期Ｔ（ｎ−１）におけるその対象となる粒子Ｍｘの位置座標Ｐｘにおける移動速度Ｖｘ及び移動方向Ｄｘを測定する。

次いで、ライダ２０で測定された測定値が情報処理装置３０に入力されて、情報処置装置３０の可視化処理部３２、及び、表示制御部３３により、ディスプレイ３４に測定領域１５の各測定点１６における風速Ｖｚ及び風向Ｄｚが図示される（Ｓ１４０）。このステップでは、まず、可視化処理部３２によりライダ２０で測定された測定値（複数の粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘ）に基づいて、測定領域１５の各測定点１６における風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを算出する。次いで、表示制御部３３により算出した風速Ｖｚ及び風向Ｄｚを図形や記号に変換してディスプレイ３４に図示する。以上で、この風洞試験方法が完了する。

以上のように、風洞施設１０は、クラス１に準拠するレーザー光２１の放射と反射光２２の受信とのスキャン処理を測定領域１５の全域に渡って複数回繰り返すことで、測定領域１５に存在する複数の粒子Ｍｘの移動を捕捉できる。

つまり、風洞施設１０は、レーザー光２１を用いることで、試験中の作業者の皮膚への被曝や目視による眼の損傷の危険性がなくなり、安全性の確保に有利になり、風洞施設１０にレーザー管理区域を設ける必要がなくなる。また、風洞施設１０は、それに伴って保護具の着用や様々な安全装置の設置も不要となる。以上のことから、風洞施設１０によれば、安全性を確保することで、試験に掛かるコストを低減することができる。

また、風洞施設１０は、ライダ２０のスキャン処理が３Ｄスキャナセンサと同様の速度で行われる。つまり、風洞施設１０は、測定領域１５の全域に渡るライダ２０によるスキャン処理に要する時間が、測定領域１５の全域を粒子像流速計や粒子像追跡流速計などの風の流れを撮像する方式により測定に要する時間に比して短くなる。これにより、試験に要する時間を短縮するには有利になり、試験に掛かるコストを低減することができる。

風洞施設１０は、レーザー光２１の放射から反射光２２の受信までの往復時間Δｔｎとドップラー効果によるレーザー光２１及び反射光２２の偏移周波数Δｆｎとに応じて、測定領域１５内に存在する複数の粒子Ｍｘの移動速度Ｖｘ、移動方向Ｄｘ、及び、位置座標Ｐｘを測定する。より詳細に、風洞施設１０は、今回の周期Ｔｎにおける粒子Ｍｘまでの距離Ｌｎと、前回の周期Ｔ（ｎ−１）における粒子Ｍｘまでの距離Ｌ（ｎ−１）及びその粒子Ｍｘの放射方向Ｄ（ｎ−１）の速度Ｖ（ｎ−１）とに基づいて、前回の周期Ｔ（ｎ−１）の粒子Ｍｘの位置座標Ｐｘにおける移動速度Ｖｘ及び移動方向Ｄｘを測定する。

つまり、風洞施設１０は、ライダ２０が３Ｄスキャナセンサの機能とドップラーセンサの機能との二つの機能を利用することで、測定領域１５に存在する粒子Ｍｘの移動を捕捉することができる。このように、風洞施設１０によれば、異なる測定機能を組み合わせることで、安全性の高いクラス１に準拠するレーザー光２１を用いた可視化試験が実現可能になり、コストの低減には有利になる。また、風洞施設１０によれば、二つの機能を利用することで、レーザードップラー流速計で測定する方式に比して試験結果が出力されるまでの情報処置装置３０における計算工程の回数を減らすことができる。

風洞施設１０は、ライダ２０が測定した測定値に基づいて、測定領域１５の複数の測定点１６における風速Ｖｚ及び風向Ｖｚを出力する構成である。つまり、風洞施設１０は、試験体１４の周囲の風の流れを可視化するだけでなく情報化することができる。これにより、試験体１４の周囲の風の流れを試験前に予測した解析モデルと試験結果とを比較解析するには有利になる。また、一度の試験により測定領域１５の任意の領域の風の流れを可視化したり、情報化したりすることが可能になる。

風洞施設１０は、測定部１３の内表面のうちの少なくとも測定領域１５に存在する部位が電磁波吸収体１７に覆われることが望ましく、また、試験体１４の外表面のうちの少なくとも測定領域１５に存在する部位が電磁波吸収体１８に覆われることが望ましい。放射されたレーザー光２１が電磁波吸収体１７、１８に吸収されることで、放射されたレーザー光２１が測定部１３の内表面や試験体１４の外表面で後方散乱や反射することを防止することができる。これにより、ライダ２０における反射光２２以外の光の受信が抑制されることで、低ノイズ化を図ることができる。

図７に例示するように、第二実施形態の風洞施設１０は、第一実施形態に対して、測定手段として複数のライダ２０を有する点が異なる。また、図８に例示するように、第三実施形態の風洞施設１０も同様に、測定手段として複数のライダ２０を有する点が異なる。

ライダ２０は、それ単体でパルス状のレーザー光２１の放射と反射光２２の受信とを行うことが可能であり、その放射と受信とを一セットとしたスキャン処理を周期Ｔｎごとに行う装置である。つまり、風洞施設１０において、ライダ２０を複数設置することで、一つのライダ２０がスキャン処理する領域を狭くすることができる。これにより、測定領域１５の全域の測定に要する時間を短縮するには有利になる。

なお、放射方向Ｄｎをずらすことなく測定領域１５の全域に渡ってスキャン処理を行うことが可能な場合に、ライダ２０は、光学装置２５を動かさずにパルス状のレーザー光２１を同一方向に放射する構成であればよい。

既述した実施形態では、ライダ２０が測定手段として機能し、情報処理装置３０が処理手段として機能する構成にしたが、ライダ２０の信号処理機４０の機能要素を情報処理装置３０が有する構成にして、ライダ２０及び情報処理装置３０が測定手段及び処理手段として機能する構成としてもよい。

１０ 風洞施設
１１ 風路
１２ 送風機
１３ 測定部
１４ 試験体
１５ 測定領域
２０ ライダ（測定手段）
２１ レーザー光
２２ 反射光
３０ 情報処理装置（可視化手段）
Ｍｎ 粒子
Ｔｎ 周期
Ｖｘ 移動速度
Ｄｘ 移動方向
Ｐｘ 位置座標

Claims (9)

1. 風路、及び、送風機を備え、前記風路の中途位置に試験体が配置される測定部が形成され、前記送風機により送風された風が前記測定部で一方向に流れる風洞施設において、
   測定手段と処理手段とを備え、
   前記測定手段は、所定のレーザー光をパルス状に放射するライダを有し、そのライダが、前記レーザー光を放射するとともに放射したそのレーザー光が前記送風機により送風された風に含有される粒子で反射された反射光を受信するスキャン処理を所定の周期ごとに繰り返し、所定の測定領域の全域に対して複数回の前記スキャン処理を行う構成であり、
   前記処理手段は、前記測定手段による複数回の前記スキャン処理の繰り返しにより測定された測定値である前記測定領域に存在する複数の粒子の移動速度、移動方向、及び、位置座標に基づいて、前記試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化する処理を行う構成であることを特徴とする風洞施設。
2. 前記測定手段は、前記レーザー光の放射から前記反射光の受信までの往復時間とドップラー効果による前記レーザー光及び前記反射光の間の周波数の偏移量とに応じて、前記測定領域内に存在する粒子の移動速度、移動方向、及び、位置座標を測定する構成である請求項１に記載の風洞施設。
3. 前記測定手段は、前記測定領域内に存在する粒子の対象となる粒子において、今回の周期における前記往復時間に応じた前記ライダからその対象となる粒子までの距離と、前回の周期における前記往復時間に応じた前記ライダからその対象となる粒子までの距離及び前記周波数の偏移量に応じたその対象となる粒子の前記放射方向の速度とに基づいて、前記前回の周期におけるその対象となる粒子の位置座標における移動速度及び移動方向を測定する構成である請求項２に記載の風洞施設。
4. 前記処理手段は、前記測定手段が測定した前記測定値に基づいて、前記測定領域に格子状に配置される複数の測定点における風速及び風向を出力する構成である請求項１〜３のいずれか１項に記載の風洞施設。
5. 前記測定手段は、複数の前記ライダを有し、
   複数の前記ライダそれぞれが、前記測定領域を複数に分割した分割領域のそれぞれに前記レーザー光を放射する構成である請求項２〜４のいずれか１項に記載の風洞施設。
6. 前記測定部の内表面のうちの少なくとも前記測定領域に存在する部位が電磁波吸収体に覆われる請求項１〜５のいずれか１項に記載の風洞施設。
7. 前記試験体の外表面のうちの少なくとも前記測定領域に存在する部位が電磁波吸収体に覆われる請求項１〜６のいずれか１項に記載の風洞施設。
8. 前記レーザー光がＩＥＣ６０８２５−１で規定されるクラス１に準拠する請求項１〜７のいずれか１項に記載の風洞施設。
9. 風路の上流側から送風機により前記風路の中途位置に形成された測定部で一方向に流れる風を送風し、前記測定部に配置された試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化する風洞試験方法であって、
   所定のレーザー光を放射するとともに放射したそのレーザー光が前記送風機により送風された風に含有される粒子で反射された反射光を受信するスキャン処理を所定の周期ごとに繰り返し、所定の測定領域の全域に対して複数回の前記スキャン処理を行って、前記測定領域に存在する複数の粒子の移動速度、移動方向、及び、位置座標を測定値として測定し、
   測定した前記測定値に基づいて、前記試験体の周囲の風の流れを可視化又は情報化することを特徴とする風洞試験方法。

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