JP2962119B2

JP2962119B2 - 気液混相流れ場の液体場可視化方法

Info

Publication number: JP2962119B2
Application number: JP23427193A
Authority: JP
Inventors: 宜久津田; 伸一郎冨野; 謙吉大場
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1993-08-26
Filing date: 1993-08-26
Publication date: 1999-10-12
Anticipated expiration: 2014-10-12
Also published as: JPH0763642A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、気液混相流れ場の液速
度計測方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】周知の通り、流れの可視化方法による流
れを把握する試みは古くからなされており、壁面トレー
ス法、タフト法、直接注入法がよく知られている。

【０００３】これらの方法のうち、壁面トレース法は壁
面に油等を塗布し、流れによって現れる筋模様から流れ
の状態、方向、速度を求めるものである。また、タフト
法は多数の糸を物体表面、または流れの中に設置された
ワイヤーに張り、そのなびき具合から流れを測定するも
のである。さらに、直接注入法は流れに染料を注入し、
その染料の流跡を可視化するものである。

【０００４】ところで、近年、流れ領域全体を同時に可
視化し、流速や流れ関数等の物理量を算出することに対
する関心が高まっている。このような可視化を実現する
試みとして、液体中にトレーサ粒子を懸濁させ、可視化
空間にシート状に拡げたレーザ光を照射し、トレーサ粒
子の散乱光を画像化する方法（特開平４−２９３８号）
が提案されている。

【０００５】また、液速度を計測する方法として、ホッ
トワイヤ法やレーザドップラ流速計が良く知られてい
る。上記ホットワイヤ法は、流れの中に加熱細線を置く
と、流体の流速の大小によって熱線の温度が変わり、熱
線の電気抵抗が変化する性質を利用して流速を計測する
ものである。

【０００６】一方、上記レーザドップラ流速計は、流体
中を流体とともに運動するトレーサ粒子にレーザ光を照
射すると、粒子からの散乱光がドップラ効果により、も
との入射光に比べ粒子速度分だけ周波数に差を生じる性
質を利用して流速を計測するものである。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来から知られている
可視化方法は、以下に述べるような問題があった。すな
わち、壁面トレース法では、壁面から離れた空間での流
れの測定が困難であった。

【０００８】また、タフト法では、流れの中に異物を設
置することから、流れそのものが変化してしまうため、
精緻な測定が困難であった。

【０００９】さらに、直接注入法では、染料の流跡上で
の速度は把握できるが、流れ場全体を同時に可視化する
ことができないという問題があった。さらに、トレーサ
粒子の散乱光を画像化する方法（例えば、特開平４−２
９３８号）を気液混相流れに適用する場合には、可視化
空間に存在する気泡からの散乱光とトレーサ粒子の散乱
光とを画像上で分離するのが困難なため、気液混相流れ
において、液体場のみを可視化することができなかっ
た。

【００１０】また、ホットワイヤ法やレーザドップラ流
速計は点測定であり、多点同時計測は原理的に不可能で
あった。本発明は上述の問題点にかんがみ、気液混相流
れ場において液速度の計測を行うことができるようにす
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の気液混相流れ場
の液体場可視化方法は、気液混相流れ場に硫化亜鉛粒
子、または硫化亜鉛を表面にコーティングした粒子をト
レーサ粒子として混入する第１の処理と、波長が２５０
〜４００ｎｍ、エネルギー密度が５０ｋＷ／ｍｍ²／パ
ルス以上で発振周波数が３０Ｈｚ以下のパルスショット
型レーザを外部制御装置により照射タイミングを制御し
ながら可視化空間に照射する第２の処理と、上記可視化
空間とＴＶカメラとの間に電子シャッタを設置するとと
もに、上記電子シャッタの開閉タイミングを外部制御装
置により制御し、画像上において、上記トレーサ粒子の
移動速度の遅い流れに対しては、ＴＶカメラの水平・垂
直同期に対する電子シャッタ開閉タイミングを第２フィ
ールドに１度開閉するとともに、画像上において、上記
トレーサ粒子の移動速度の速い流れに対しては、ＴＶカ
メラの水平・垂直同期に対する電子シャッタ開閉タイミ
ングを第１フィールドと第２フィールドで１度づつ開閉
する第３の処理と、画像上において、上記トレーサ粒子
の移動速度の遅い流れに対しては、ＴＶカメラの光の蓄
積方法をフレーム積分法とするとともに、画像上におい
て、上記トレーサ粒子の移動速度の速い流れに対して
は、ＴＶカメラの光の蓄積方法をフィールド積分法とし
て、レーザ照射後に上記トレーサ粒子が発する蛍光のみ
をＴＶカメラで撮像することにより、気液混相流れ場に
おいて、液体場のみを可視化する第４の処理とからなる
ことを特徴とする。

【００１２】また、本発明の他の特徴とするところは、
上記請求項１に記載の第１〜第４の処理に加えて、上記
ＴＶカメラの出力を、画像上において、上記トレーサ粒
子の移動速度の遅い流れに対しては、連続する３フレー
ムの画像のうち、２フレームの画像を処理画像とすると
ともに、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度
の速い流れに対しては、同一フレームの画像から、第１
フィールド、第２フィールドの２時刻の画像情報を分離
して、各フィールド毎に新しく１枚づつのフレーム画像
を作成し、新しく作成したフレーム画像のうち、連続す
る２フレームの画像を処理画像とする第５の処理と、上
記第５の処理によって得られた処理画像のうち、前時刻
の画像をＦ１画像、後時刻の画像をＦ２画像とし、上記
Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレーサ粒子の画像
上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像の任意の位置に１
１×１１画素〜８１×８１画素のテンプレート領域を設
定し、さらに、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記
トレーサ粒子の画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画
像で設定したテンプレート領域±５画素〜±４０画素の
サーチ領域を設定し、下記に示す（式１）に示す相互相
関計算を行う第６の処理と、

【００１３】

【数３】

【００１４】（ここで、ＸはＦ１画像、ＹはＦ２画像に
おける画像上での２５６階調の輝度値である。）上述の
処理で得られたＦ２画像上の相互相関分布のピークの位
置を統計的に算出し、上記Ｆ１画像上で設定したテンプ
レート領域の中心位置をベクトルの起点とし、上記Ｆ２
画像上の相互相関分布のピークの位置をベクトルの終点
として、ベクトルを描く第７の処理と、上述の処理で得
られたベクトルの画像上の距離を可視化空間上の距離で
較正し、この較正された距離を上記Ｆ１画像と上記Ｆ２
画像の間の経過時間で除することにより、気液混相流れ
場において、液体場のみの速度ベクトルを求める第８の
処理とからなることを特徴としている。

【００１５】また、本発明のその他の特徴とするところ
は、上記請求項１に記載の第１〜第４の処理に加えて、
上記ＴＶカメラの出力を、画像上において、上記トレー
サ粒子の移動速度の遅い流れに対しては、連続する３フ
レームの画像のうち、２フレームの画像を処理画像とす
るとともに、画像上において、上記トレーサ粒子の移動
速度の速い流れに対しては、同一フレームの画像から、
第１フィールド、第２フィールドの２時刻の画像情報を
分離して、各フィールド毎に新しく１枚づつのフレーム
画像を作成し、新しく作成したフレーム画像のうち、連
続する２フレームの画像を処理画像とする第５の処理
と、上記第５の処理によって得られた処理画像のうち、
前時刻の画像をＦ１画像、後時刻の画像をＦ２画像と
し、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレーサ粒
子の画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像の任意の
位置に１１×１１画素〜８１×８１画素のテンプレート
領域を設定し、さらに、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の
間の上記トレーサ粒子の画像上の移動距離に応じて、上
記Ｆ１画像で設定したテンプレート領域±５画素〜±４
０画素のサーチ領域を設定し、下記の（式２）に示す計
算を行う第６の処理と、

【００１６】

【数４】

【００１７】（ここで、ＸはＦ１画像、ＹはＦ２画像に
おける画像上での２５６階調の輝度値である。）上述の
処理で得られた上記Ｆ２画像上のＣＲ’が最小となる位
置を統計的に算出し、上記Ｆ１画像上で設定したテンプ
レート領域の中心位置をベクトルの起点とし、上記Ｆ２
画像上のＣＲ’が最小となる位置をベクトルの終点とし
て、ベクトルを描く第７の処理と、上述の処理で得られ
たベクトルの画像上の距離を可視化空間上の距離で較正
し、この較正された距離を上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像
の間の経過時間で除することにより、気液混相流れ場に
おいて、液体場のみの速度ベクトルを求める第８の処理
とからなることを特徴としている。

【００１８】

【作用】硫化亜鉛粒子、または硫化亜鉛を表面にコーテ
ィングした粒子に、波長が２５０〜４００ｎｍのレーザ
光を照射すると、ルミネセンスにより緑色の蛍光を発す
る。

【００１９】但し、波長が４００ｎｍ以下のレーザ光
は、水中での減衰が大きいので、可視化に必要な上記ト
レーサ粒子の発する蛍光の輝点を確保するためには、レ
ーザ光のエネルギー密度は５０ｋＷ／ｍｍ²／パルス以
上が必要である。この時、レーザ光のエネルギー密度を
確保するために、、または可視化空間分解能を向上させ
るために、射出されたレーザ光をレンズ等で絞ることも
有効である。

【００２０】硫化亜鉛粒子の残光寿命は約１秒であり、
レーザを照射していないタイミングでトレーサ粒子の発
する蛍光のみを撮像することにより、画像上で上記トレ
ーサ粒子と気泡とを分離することが可能となる。

【００２１】一旦励起されたトレーサ粒子の発する蛍光
の輝度は指数関数的に減衰するものの、約１秒間は残光
がある。したがって、レーザの発振周波数が高すぎる
と、前の照射タイミングで励起されたトレーサ粒子の残
光のため、可視化に適当な蛍光輝度分布を確保すること
が困難となる。このため、レーザの発振周波数は、３０
Ｈｚ以下とする必要がある。

【００２２】次に、上記トレーサ粒子の発する蛍光を撮
像する方法について説明する。画像上のトレーサ粒子の
移動速度の遅い流れでは、ＴＶカメラの水平・垂直同期
に対する電子シャッタは第２フィールドで１度開閉し、
ＴＶカメラの光の蓄積方法をフレーム積分法とする。

【００２３】このようにすると、同一フレーム画像上に
は、第２フィールドでのシャッタ時間におけるトレーサ
粒子の発する蛍光のみが記録されるので、気泡とトレー
サ粒子との分離が画像上で可能となり、気液混相流れ場
において液体場のみが可視化できる。なお、この方法
は、フレーム・フィールド分離を行う方法に対し、２倍
の空間分解能が得られることと、フレーム・フィールド
分離操作が不要な点で有利である。

【００２４】一方、画像上のトレーサ粒子の移動速度の
速い流れにおいて、上述の方法による可視化を行うと、
連続するフレーム間でのトレーサ粒子の移動が大きくな
るので、可視化に適当な蛍光輝度分布を確保することが
困難となる。

【００２５】そこで、画像上のトレーサ粒子の移動速度
の速い流れにおいては、ＴＶカメラの水平・垂直同期に
対する電子シャッタは、第１フィールドと第２フィール
ドで１度づつ開閉し、ＴＶカメラの光の蓄積方法をフィ
ールド積分法とする。このようにすると、同一フレーム
画像上には、第１フィールドと第２フィールドの２時刻
のトレーサ粒子の発する蛍光が蓄積されるが、各フィー
ルド画像には、可視化に適当な蛍光輝度分布を確保する
ことが可能となる。

【００２６】すなわち、この方法においても、各々の時
刻におけるトレーサ粒子の発する蛍光のみが記録される
ので、気泡とトレーサ粒子との分離が画像上で可能とな
り、気液混相流れ場において液体場のみが可視化できる
ようになる。

【００２７】なお、これらの方法において、可視化に適
当な蛍光輝度分布を確保するためには、画像上のトレー
サ粒子の移動速度に応じて、ＴＶカメラの水平・垂直同
期に対する、レーザ照射タイミング、および第１フィー
ルドと第２フィールドの電子シャッタ開閉タイミングを
外部制御装置で制御する必要がある。

【００２８】以上述べた方法により、気液混相流れ場に
おいて液体場のみを可視化することが可能となった。次
に、得られた可視化画像から、気液混相流れ場において
液体場の速度を計測する方法について説明する。

【００２９】上記ＴＶカメラの出力から精度良く気液混
相流れ場の液速度を計測するには、処理画像において適
切な輝度分布、すなわち、計測対象とする二時刻の画像
間の適切なトレーサ粒子の移動距離と、二時刻の画像間
のトレーサの蛍光輝度の変化を確保する必要がある。

【００３０】このため、画像上のトレーサ粒子の移動速
度の遅い流れに対しては、ＴＶカメラの水平・垂直同期
に対する電子シャッタは第２フィールドで１度開閉し、
ＴＶカメラの光の蓄積方法をフレーム積分法とする撮像
方法により得られた連続する２フレームの画像を処理画
像とする。

【００３１】また、画像上のトレーサ粒子の移動速度の
きわめて遅い流れ、すなわち、連続する２フレームの画
像間のトレーサ粒子の移動距離が小さ過ぎて、速度計測
精度を確保するのが困難な流れに対しては、ＴＶカメラ
の水平・垂直同期に対する電子シャッタは第２フィール
ドで１度開閉し、ＴＶカメラの光の蓄積方法をフレーム
積分法とする撮像方法により得られた３フレームの画像
をそれぞれ時刻順にｆ１、ｆ２、ｆ３画像とすると、ｆ
１画像とｆ３画像を処理画像とする。

【００３２】これに対し、画像上のトレーサ粒子の移動
速度の速い流れでは、ＴＶカメラの水平・垂直同期に対
する電子シャッタは第１フィールドと第２フィールドで
１度づつ開閉し、ＴＶカメラの光の蓄積方法をフィール
ド積分法とする撮像方法により得られたフレームの画像
上には、第１フィールドと第２フィールドの二時刻のト
レーサ粒子の発する蛍光が蓄積されているので、このフ
レーム画像から、第１フィールドと第２フィールドの二
時刻の画像情報を分離して、各フィールド毎に新しく１
枚づつのフレーム画像を作成し、新しく作成したフレー
ム画像のうち、連続する２フレームの画像を処理画像と
する。

【００３３】この時、速度計測する画像間でのトレーサ
粒子の画像上での移動距離が大き過ぎると計測精度が悪
化するが、本発明は、画像間での経過時間、すなわち、
第１フィールドと第２フィールドのシャッタ時間間隔を
適正な時間差とすることで、計測精度の確保が可能とな
る。

【００３４】上述の方法により得られた二時刻の処理画
像のうち、前時刻の画像をＦ１画像、後時刻の画像をＦ
２画像とし、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記ト
レーサ粒子の画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像
の任意の位置に１１×１１画素〜８１×８１画素のテン
プレート領域を設定する。

【００３５】さらに、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間
の上記トレーサ粒子の画像上の移動距離に応じて、上記
Ｆ１画像で設定したテンプレート領域±５画素〜±４０
画素のサーチ領域を設定し、下記の（式１）に示す相互
相関計算を行う。

【００３６】

【数５】

【００３７】ここで、ＸはＦ１画像、ＹはＦ２画像にお
ける画像上ので２５６階調の輝度値である。

【００３８】上述の処理で得られた上記Ｆ２画像上の相
互相関分布のピークの位置を統計的に算出し、上記Ｆ１
画像上で設定したテンプレート領域の中心位置をベクト
ルの起点とし、上記Ｆ２画像上の相互相関分布のピーク
の位置をベクトルの終点として、ベクトルを描く。

【００３９】上述の処理で得られたベクトルの画像上の
距離を可視化空間上の距離で較正し、この較正された距
離を上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の経過時間で除す
ることにより、気液混相流れ場において、液体場のみの
速度ベクトルを求める。これにより、気液混相流れ場に
おいて、液体場の速度ベクトル計測が可能となる。

【００４０】また、以上述べた方法以外の気液混相流れ
場における液体場の速度計測方法を説明する。上述の処
理で得られた処理画像のうち、前時刻の画像をＦ１画
像、後時刻の画像をＦ２とし、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２
画像の間の上記トレーサ粒子の画像上の移動距離に応じ
て、上記Ｆ１画像の任意の位置に１１×１１画素〜８１
×８１画素のテンプレート領域を設定し、さらに、上記
Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレーサ粒子の画像
上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像で設定したテンプ
レート領域±５画素〜±４０画素のサーチ領域を設定
し、下記の（式２）に示す計算を行う。

【００４１】

【数６】

【００４２】ここで、ＸはＦ１画像、ＹはＦ２画像にお
ける画像上での２５６階調の輝度値である。上述の処理
で得られた上記Ｆ２画像上のＣＲ’が最小となる位置を
統計的に算出し、上記Ｆ１画像上で設定したテンプレー
ト領域の中心位置をベクトルの起点とし、上記Ｆ２画像
上のＣＲ’が最小となる位置をベクトルの終点としてベ
クトルを描く。

【００４３】上述の処理で得られたベクトルの画像上の
距離を可視化空間上の距離で較正し、この較正された距
離を上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の経過時間で除す
ることにより、気液混相流れ場において、液体場のみの
速度ベクトル計測が可能となる。

【００４４】また、上述の処理のうち、１組の処理画像
で複数のテンプレート領域設定、および画像上のベクト
ル算出を複数回、繰り返すと１組の処理画像から多点の
速度ベクトルを計測するのが可能となり、これにより、
測定の効率を向上させることができる。

【００４５】また、計測したい流れ場によっては、画像
上のトレーサ粒子の移動速度の速い流れと遅い流れが混
在することもある。このような場合、可視化空間内の計
測対象領域を画像上のトレーサ粒子の移動速度の速い流
れと遅いとで、２回に分けて画像化する。

【００４６】すなわち、遅い流れに対しては、電子シャ
ッタを第２フィールドで１度開閉し、ＴＶカメラでの光
の蓄積方法をフレーム積分法とし、速い流れに対して
は、第１フィールドと第２フィールドで電子シャッタを
１度づつ開閉し、ＴＶカメラでの光の蓄積方法をフィー
ルド積分法としてフレーム・フィールド分離する。

【００４７】それぞれの処理で得られた画像は、処理画
像間の経過時間、すなわち、基準時間が異なるため、あ
る基準時間、この場合、遅い流れの基準時間としても良
いし、速い流れの基準時間としても良い。通常は、この
２つの基準時間の間のある時間を選定するほうが好まし
く、それぞれの画像の基準時間を補正した後、２つの画
像を合成することにより、速い流れと遅い流れの速度を
同一画像上で表示することが可能となる。

【００４８】上述の処理によって得られた速度は、通常
は、データ密度の高い領域と低い領域が混在するため、
流れ場全体の状況を把握しにくい。そこで、得られた速
度データを幾何学的に格子補間することにより、流れ場
全体を把握することがより容易となる。

【００４９】光源から射出されたレーザビームをビーム
スプリッタにより複数本に分割し、可視化空間に照射す
ることにより、より広い空間の可視化が可能となる。但
し、この場合でもレーザ光のエネルギー密度は、５０ｋ
Ｗ／ｍｍ²／パルス以上とすることが好ましい。また、
ビームスプリッタの代わりに複数のレーザ光源を使う方
法も有効である。

【００５０】なお、光源から射出されたレーザビームを
シリンドリカルレンズによりシート状に拡げ、可視化空
間に照射することにより、二次元断面の同時可視化が可
能となる。但し、この場合でもレーザ光のエネルギー密
度は、５０ｋＷ／ｍｍ²／パルス以上とすることが好ま
しい。ビームスプリッタやシリンドリカルレンズの素材
には、波長が２５０〜４００ｎｍ領域での透過率が高い
溶融石英ガラス、または合成石英ガラスが好ましい。

【００５１】

【実施例】以下、本発明の気液混相流れ場の液体場可視
化方法の一実施例を図面を参照して説明する。図１は、
本発明方法を実施するための可視化光学計の一例を示す
ブロック図である。図１から明らかなように、この可視
化光学計は、ＹＡＧパルスレーザ１、ハーモニックジェ
ネレータ２、ハーモニックセパレータ３、ビームプリッ
タ４、全反射ミラー５、イメージインテンシファイア
６、ＮＴＳＣ規格に準ずるＣＣＤカメラ７、録画再生装
置８、モニター９、外部制御装置１０、肉厚２ｍｍで内
径が１４０ｍｍφのアクリル製円筒容器１１、上記容器
１１底部に設置されたポーラスプラグ１２、溶融石英ガ
ラス製角型水槽１３により構成されている。

【００５２】このように構成された本実施例の可視化装
置において、ＹＡＧパルスレーザ１から射出されたレー
ザ光は、ハーモニックジェネレータ２に入り、基本波
（波長：１０６４ｎｍ）と第２高調波（波長：５３２ｎ
ｍ）、および第３高調波（波長：３５５ｎｍ）の波長成
分を持つ光に変換される。

【００５３】この光がハーモニックセパレータ３に入
り、第３高調波の波長：３５５ｎｍのみが抽出される。
ハーモニックセパレータ３から射出された波長３５５ｎ
ｍのレーザ光は、ビームスプリッタ４で透過光と反射光
の２本に分割され、透過光は、そのままアクリル製円筒
容器１１内の流体に照射し、反射光は、全反射ミラー５
で任意の光路に調整されてから、アクリル製円筒容器１
１内の流体に照射した。

【００５４】なお、本実施例では流体として、液体には
水、気体には空気を用いた。すなわち、アクリル製円筒
容器１１に２リットルの水を入れ、ポーラスプラグ１２
を介して空気を吹き込んだ。そして、このアクリル製円
筒容器１１内の気液混相流れ場の液体場を可視化するた
めに、本実施例では、平均粒径１５μｍの硫化亜鉛粒子
を可視化時の平均濃度が０．１〜０．２ｗｔ％となるよ
うに混入し、均一に分散するように十分に攪拌した後、
流れが安定化してからアクリル製円筒容器１１の可視化
したい空間に上述の２本に分割したレーザビームを照射
した。

【００５５】なお、本実施例においては、トレーサ粒子
の発する蛍光は微弱だったため、ＴＶカメラのみで構成
した撮像系で画像化することは困難であった。そこで、
輝度増幅機能を有するイメージインテンシファイアによ
り、トレーサ粒子の発する蛍光そのものを増幅して画像
化した。

【００５６】すなわち、レーザビームを照射した可視化
断面と直交する方向にイメージインテンシファイア６を
先端に装着したＣＣＤカメラ７を設置し、レーザ照射に
より励起されたトレーサ粒子の発する蛍光をイメージイ
ンテンシファイア６で輝度増幅しながら可視化断面と直
交する方向からＣＣＤカメラ７で撮像した。

【００５７】この時、ＣＣＤカメラ７の出力を直接処理
系に転送することも可能だが、本実施例では、選択的に
録画するため、録画再生装置８に接続されたモニター９
で録画状態を確認しながら、ＣＣＤカメラ７の出力を一
旦、ＮＴＳＣ規格に準ずる録画再生装置８に選択的に録
画した。

【００５８】また、本実施例では測定対象の流れ場とし
て円筒容器を用いたため、そのまま撮像するとレンズ交
換により、半径方向の画像に歪みを生じる。これを防止
するため、アクリル製円筒容器１１を水を満たした溶融
石英ガラス製角型水槽１３の中に設置した状態で撮像し
た。

【００５９】ところで、通常のＣＣＤカメラの電子シャ
ッタは、ＣＣＤカメラ同期信号におけるフィールド終了
直前のタイミングでのみ開閉するので、任意の時間での
シャッタ開閉は困難である。そこで、本実施例において
は、イメージインテンシファイアの光電変換面の電子シ
ャッタを用いて、ＣＣＤカメラ７の水平・垂直同期に対
するＹＡＧパルスレーザ１の照射タイミングとイメージ
インテンシファイア６の電子シャッタの開閉タイミン
グ、およびＣＣＤカメラ７の水平・垂直同期タイミング
を外部制御装置９で制御することにより、レーザ照射後
の適切なタイミングでの電子シャッタ開閉を行った。

【００６０】なお、本実施例では、イメージインテンシ
ファイア６とＣＣＤカメラ７は、独立したものを用いて
いるが、イメージインテンシファイア６とＣＣＤカメラ
７が同一筺体内に収納されているものを用いても本発明
の効果が得られる。

【００６１】次に、ＣＣＤカメラ７の水平・垂直同期に
対するＹＡＧパルスレーザ１の照射タイミングとイメー
ジインテンシファイア６の電子シャッタ開閉タイミング
について説明する。

【００６２】図２は、可視化空間上のトレーサ粒子移動
速度が６００水平走査本／ｓｅｃ以下の低流速の流れに
対応するＣＣＤカメラ７の水平・垂直同期に対するＹＡ
Ｇパルスレーザ１の照射タイミングとイメージインテン
シファイア６の電子シャッタ開閉タイミングの一例を示
したタイミングチャートである。

【００６３】レーザ光は、第１フィールド開始後２．４
ｍｓに照射し、電子シャッタを第２フィールドに１度開
閉し、ＴＶカメラでの光の蓄積方法をフレーム積分法と
した。この方法では、同一フレーム画像上には、第２フ
ィールドでのシャッタ時間におけるトレーサ粒子の蛍光
画像のみが記録されている。

【００６４】図３は、可視化空間上のトレーサ粒子移動
速度１５００水平走査本／ｓｅｃ以下の高流速の流れに
対応するＣＣＤカメラの水平・垂直同期に対するＹＡＧ
パルスレーザ１の照射タイミングとイメージインテンシ
ファイア６の電子シャッタ開閉タイミングの一例を示し
たタイミングチャートである。

【００６５】レーザ光は、第１フィールド開始後２．４
ｍｓに照射し、電子シャッタを第１フィールド、および
第２フィールドに１度づつ開閉し、ＴＶカメラでの光の
蓄積方法をフィールド積分法とした。この方法では、同
一フレーム画像上には、第１フィールドと第２フィール
ドの二時刻でのシャッタ時間におけるトレーサ粒子の蛍
光画像が記録されている。

【００６６】次に、上述の処理により録画された画像か
ら、速度を計測する方法について説明する。図４は、本
発明方法を実施するための処理系の一例を示すブロック
図である。図４から明らかなように、この処理系は、録
画再生装置８、計算機１４、フレームメモリ１５、外部
メモリ１６、モニター１７により構成されている。

【００６７】録画した情報は、録画再生装置８で再生
し、１／３０秒単位のフレーム画像情報が、計算機１４
に接続したフレームメモリ１５を通し、外部メモリ１６
に記録した。外部メモリ１６に記録された各時刻の情報
は、一旦、フレームメモリ１５にコピーされ、必要に応
じ、フレーム・フィールド分離処理を行った後、各フレ
ーム情報毎に画像処理を行い、速度を算出する。算出さ
れた速度情報は、一時的に外部メモリ１６に記録した。
なお、本実施例においては、画像上のトレーサ粒子の移
動速度の速い流れと遅い流れが混在したため、２回に分
けて撮像と速度計測を行った。

【００６８】図５に、本実施例により計測した画像上の
トレーサ粒子の移動速度の遅い流れの速度ベクトル分布
を示す。

【００６９】図６に、本実施例により計測した画像上の
トレーサ粒子の移動速度の速い流れの速度ベクトル分布
を示す。

【００７０】図７に、図５と図６の速度ベクトルの基準
時間を補正して合成した速度ベクトル分布を示す。

【００７１】図８に、図７で得られた速度ベクトル分布
を幾何学的に格子点補間した結果を示す。

【００７２】

【発明の効果】本発明は上述したように、気液混相流れ
場に硫化亜鉛粒子、または硫化亜鉛を表面にコーティン
グした粒子をトレーサ粒子として混入し、波長が２５０
〜４００ｎｍで且つ、エネルギー密度が５０ｋＷ／ｍｍ
²／パルス以上で発振周波数が３０Ｈｚ以下のパルスシ
ョット型レーザを外部制御装置により照射タイミングを
制御しながら可視化空間に照射するとともに、ＴＶカメ
ラと可視化空間の間に設置した電子シャッタを設置し、
外部制御装置により電子シャッタの開閉タイミングを制
御し、任意の時間の上記トレーサ粒子の発する蛍光をＴ
Ｖカメラで撮像するようにしたので、画像上で気泡とト
レーサ粒子とを分離することが可能となり、気液混相流
れ場において、液体場のみを可視化することができる。
さらに、得られた画像を処理することにより、気液混相
流れ場において、液速度のみの計測を可能とする。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明方法を実施するための可視化光学系の一
例を示すブロック図である。

【図２】低流速の流れに対応するタイミングチャートの
一例を示す図である。

【図３】高流速の流れに対応するタイミングチャートの
一例を示す図である。

【図４】本発明方法を実施するための処理系の一例を示
すブロック図である。

【図５】本発明方法により計測した低流速の流れの速度
ベクトル分布の一例を示す図である。

【図６】本発明方法により計測した高流速の流れの速度
ベクトル分布の一例を示す図である。

【図７】本発明方法により計測した低流速と高流速の流
れの速度ベクトル分布を合成した一例を示す図である。

【図８】本発明方法により計測した速度ベクトル分布を
格子点補間して表示した一例を示す図である。

【符号の説明】

１ＹＡＧパルスレーザ２ハーモニックジェネレータ３ハーモニックセパレータ４ビームスプリッタ５全反射ミラー６イメージインテンシファイア７ＣＣＤカメラ８録画再生装置９モニター１０外部制御装置１１アクリル製円筒容器１２ポーラスプラグ１３溶融石英ガラス製角型水槽１４計算機１５フレームメモリ１６外部メモリ１７モニター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平４−132929（ＪＰ，Ａ) 特開平４−131731（ＪＰ，Ａ) 特開平４−50745（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01M 10/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】気液混相流れ場に硫化亜鉛粒子、または
硫化亜鉛を表面にコーティングした粒子をトレーサ粒子
として混入する第１の処理と、波長が２５０〜４００ｎｍ、エネルギー密度が５０ｋＷ
／ｍｍ²／パルス以上で発振周波数が３０Ｈｚ以下のパ
ルスショット型レーザを外部制御装置により照射タイミ
ングを制御しながら可視化空間に照射する第２の処理
と、上記可視化空間とＴＶカメラとの間に電子シャッタを設
置するとともに、上記電子シャッタの開閉タイミングを
外部制御装置により制御し、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の遅い
流れに対しては、ＴＶカメラの水平・垂直同期に対する
電子シャッタ開閉タイミングを第２フィールドに１度開
閉するとともに、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の速い
流れに対しては、ＴＶカメラの水平・垂直同期に対する
電子シャッタ開閉タイミングを第１フィールドと第２フ
ィールドで１度づつ開閉する第３の処理と、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の遅い
流れに対しては、ＴＶカメラの光の蓄積方法をフレーム積分法とするとと
もに、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の速い
流れに対しては、ＴＶカメラの光の蓄積方法をフィールド積分法として、
レーザ照射後に上記トレーサ粒子が発する蛍光のみをＴ
Ｖカメラで撮像することにより、気液混相流れ場におい
て、液体場のみを可視化する第４の処理とからなること
を特徴とする気液混相流れ場の液体場可視化方法。
【請求項２】上記請求項１に記載の第１〜第４の処理
に加えて、上記ＴＶカメラの出力を、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の遅い
流れに対しては、連続する３フレームの画像のうち、２
フレームの画像を処理画像とするとともに、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の速い
流れに対しては、同一フレームの画像から、第１フィー
ルド、第２フィールドの２時刻の画像情報を分離して、
各フィールド毎に新しく１枚づつのフレーム画像を作成
し、新しく作成したフレーム画像のうち、連続する２フ
レームの画像を処理画像とする第５の処理と、上記第５の処理によって得られた処理画像のうち、前時
刻の画像をＦ１画像、後時刻の画像をＦ２画像とし、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレーサ粒子の
画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像の任意の位置
に１１×１１画素〜８１×８１画素のテンプレート領域
を設定し、さらに、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレー
サ粒子の画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像で設
定したテンプレート領域±５画素〜±４０画素のサーチ
領域を設定し、下記に示す（式１）に示す相互相関計算
を行う第６の処理と、【数１】（ここで、ＸはＦ１画像、ＹはＦ２画像における画像上
での２５６階調の輝度値である。）上述の処理で得られ
たＦ２画像上の相互相関分布のピークの位置を統計的に
算出し、上記Ｆ１画像上で設定したテンプレート領域の
中心位置をベクトルの起点とし、上記Ｆ２画像上の相互
相関分布のピークの位置をベクトルの終点として、ベク
トルを描く第７の処理と、上述の処理で得られたベクトルの画像上の距離を可視化
空間上の距離で較正し、この較正された距離を上記Ｆ１
画像と上記Ｆ２画像の間の経過時間で除することによ
り、気液混相流れ場において、液体場のみの速度ベクト
ルを求める第８の処理とからなることを特徴とする気液
混相流れ場の液体場可視化方法。
【請求項３】上記第６の処理および第７の処理を複数
回繰り返した後、上記第８の処理を施すことにより、１
組の処理画像から多点の速度ベクトルを計測することを
特徴とする請求項２に記載の気液混相流れ場の液体場可
視化方法。
【請求項４】画像上のトレーサ粒子の移動速度の速い
流れと遅い流れが混在する流れ場に対しては、上記第１
〜４の処理を異なる時刻で実施した後、上記第６〜８の
処理を行い、その後に基準時間を合わせることにより、
速い流れと遅い流れの画像を合成することを特徴とする
請求項２に記載の気液混相流れ場の液体場可視化方法。
【請求項５】上記請求項１に記載の第１〜第４の処理
に加えて、上記ＴＶカメラの出力を、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の遅い
流れに対しては、連続する３フレームの画像のうち、２
フレームの画像を処理画像とするとともに、画像上において、上記トレーサ粒子の移動速度の速い
流れに対しては、同一フレームの画像から、第１フィー
ルド、第２フィールドの２時刻の画像情報を分離して、
各フィールド毎に新しく１枚づつのフレーム画像を作成
し、新しく作成したフレーム画像のうち、連続する２フ
レームの画像を処理画像とする第５の処理と、上記第５の処理によって得られた処理画像のうち、前時
刻の画像をＦ１画像、後時刻の画像をＦ２画像とし、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレーサ粒子の
画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像の任意の位置
に１１×１１画素〜８１×８１画素のテンプレート領域
を設定し、さらに、上記Ｆ１画像と上記Ｆ２画像の間の上記トレー
サ粒子の画像上の移動距離に応じて、上記Ｆ１画像で設
定したテンプレート領域±５画素〜±４０画素のサーチ
領域を設定し、下記の（式２）に示す計算を行う第６の
処理と、【数２】（ここで、ＸはＦ１画像、ＹはＦ２画像における画像上
での２５６階調の輝度値である。）上述の処理で得られ
た上記Ｆ２画像上のＣＲ’が最小となる位置を統計的に
算出し、上記Ｆ１画像上で設定したテンプレート領域の
中心位置をベクトルの起点とし、上記Ｆ２画像上のＣ
Ｒ’が最小となる位置をベクトルの終点として、ベクト
ルを描く第７の処理と、上述の処理で得られたベクトルの画像上の距離を可視化
空間上の距離で較正し、この較正された距離を上記Ｆ１
画像と上記Ｆ２画像の間の経過時間で除することによ
り、気液混相流れ場において、液体場のみの速度ベクト
ルを求める第８の処理とからなることを特徴とする気液
混相流れ場の液体場可視化方法。
【請求項６】上記第６の処理および第７の処理を複数
回繰り返した後、上記第８の処理を施すことにより、１
組の処理画像から多点の速度ベクトルを計測することを
特徴とする請求項５に記載の気液混相流れ場の液体場可
視化方法。
【請求項７】画像上のトレーサ粒子の移動速度の速い
流れと遅い流れが混在する流れ場に対しては、上記第１
〜４の処理を異なる時刻で実施した後、上記第６〜８の
処理を行い、その後に基準時間を合わせることにより、
速い流れと遅い流れの画像を合成することを特徴とする
請求項５に記載の気液混相流れ場の液体場可視化方法。
【請求項８】上記速度ベクトルを幾何学的に格子補間
することを特徴とする請求項３または６記載の気液混相
流れ場の液体場可視化方法。
【請求項９】光源から射出されたレーザビームをビー
ムスプリッタにより複数本に分割し、可視化空間に照射
することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記
載の気液混相流れ場の液体場可視化方法。
【請求項１０】光源から射出されたレーザビームをシ
リンドリカルレンズによりシート状に拡げ、可視化空間
に照射することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１
項に記載の気液混相流れ場の液体場可視化方法。