JP3892230B2

JP3892230B2 - Computer color interference fringe display method

Info

Publication number: JP3892230B2
Application number: JP2001018143A
Authority: JP
Inventors: 秀男樫村
Original assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Current assignee: Japan Science and Technology Agency; National Institute of Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2001-01-26
Filing date: 2001-01-26
Publication date: 2007-03-14
Anticipated expiration: 2021-01-26
Also published as: JP2002221531A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、流体機械や内部に気体の高速流動を伴う産業機器の開発や、衝撃波や膨張波などの気体中の圧力波の伝播を利用した産業機器の開発等に好適なシミュレーションにおける、気体の流れの可視化方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
流体機械や内部に気体の高速流動を伴う産業機器の開発や、衝撃波や膨張波などの気体中の圧力波の伝播を利用した産業機器の開発においては、流れの可視化と流動計測により流れ場の特性を把握することが非常に重要である。
【０００３】
機器内部における気体の高速流れや、衝撃波や膨張波に代表される圧力波の伝播においては、気体の密度が変化するので、流れの可視化には光の性質を利用した光学的方法が一般的に用いられる。圧力や温度などの接触計測と異なり、光学的方法は非接触計測であるから、流れ場を乱さないという特長がある。その代表的な方法に、シュリーレン法、シャドウグラフ法、干渉縞法などがある。
【０００４】
シュリーレン法とシャドウグラフ法によれば、光の屈折を利用して、流れ場における気体密度の一次変化率および二次変化率に比例した光の明るさがフィルムスクリーン上で撮影されるが、密度の定量的評価はできない。
【０００５】
これに対して、干渉縞法はフィルムスクリーン上で撮影された干渉縞のずれの本数から、基準となる密度値からの変化量が求まるという特長を持っている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記した従来の干渉縞表示方法は、光強度の振幅が等しい単色光で干渉縞が創成されているから、流れ場の密度が増加する方向に変化しているのか、または、減少する方向に変化しているのかを干渉縞写真から読み取ることは不可能であり、その結果、密度の絶対量を知ることができない。この性質に関しては、流れの中に複雑な波動が存在し、気体密度の圧縮場と膨張場が混在する超音速流れの可視化に際しては、特に注意を払う必要がある。
【０００７】
以下、その点について詳細に説明する。
【０００８】
従来の干渉縞表示方法では、以下の式（１）で計算されるＩの値に対する光の明るさ（白黒）で干渉縞が創成される。
【０００９】
【数１】

【００１０】
上記式（１）において、ρは気体密度、Δρは縞１フリンジあたりの気体密度差、ρ_oは基準となる密度、Ｋは感度定数である。Ｉは干渉縞上の明るさで、Ｉ＝０は黒、Ｉ＝２Ｋ（Ｉの最大値）は白である。
【００１１】
上記式（１）を概念的に示したものが図５である。図５の横軸ρ−ρ_oは基準密度との密度差、縦軸Ｉは干渉縞の明るさである。図中の破線で示すように、密度差がρ_rのとき、干渉縞の明るさはＩ_rである。この方法では、密度の変化により白と黒の縞が交互に発生するが、縞の明るさの振幅が、ρの値によらず一定（数値に換算すると２Ｋ）である。
【００１２】
図６は干渉縞法の適用例（コーナーを伝播する衝撃波）を示す図、図７はその従来の干渉縞法による結果を示す図である。
【００１３】
この図からわかるように、密度の増加する方向に干渉縞が創成されているのか、減少する方向に干渉縞が創成されているのかを判定することはできない。また、密度の絶対量は不明である。
【００１４】
本発明は、密度の不連続面がある場合にも等密度の縞が識別できるように工夫された従来の「カラー干渉縞法」とは発想が全く異なるものであり、本発明では、「コンピュータカラー干渉縞法」と呼ぶことにする。
【００１５】
本発明は、上記状況に鑑みて、「密度の絶対量が分かるカラー干渉縞法」に係り、流れ場における密度変化をコンピュータ処理を施したカラー情報で視覚化し、流れを定量的に可視化できるコンピュータカラー干渉縞表示方法を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕コンピュータカラー干渉縞表示方法において、圧力波の伝播における気体の密度の変化によって得られる干渉縞の最大振幅を密度の関数として変化させ、密度に対応させて表示することを特徴とする。
【００１７】
〔２〕コンピュータカラー干渉縞表示方法において、圧力波の伝播における気体の密度の変化によって得られる干渉縞の色相を、この干渉縞の強度に対比させたカラーテーブルにより、密度に対応させて表示させることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１９】
本発明では、以下の式（２）で計算されるＩ_Cの値に対応する種類の色で干渉縞を創成させる。
【００２０】
【数２】

【００２１】
上記式（２）において、ρは気体密度、Δρは縞１フリンジあたりの気体密度差、Ｋは感度定数である。Ｉ_Cは干渉縞上の色の種類である。
【００２２】
本発明が従来の干渉縞表示法と本質的に異なる点は、干渉縞の最大振幅を密度ρの関数として変化させている点である。式（２）を概念的に示した例が図１である。図１の横軸ρは密度、縦軸Ｉ_Cは干渉縞の色の種類である。この例では、干渉縞は赤（Ｒ）・緑（Ｇ）・青（Ｂ）のうち二色の混合色で創成される。図中の破線で示すように、気体密度がρ_rのとき、干渉縞の色の種類Ｉ_rは赤（Ｒ）と緑（Ｇ）の混合色である。このとき、色Ｉ_rの混合割合は、赤Ｉ_Rに対して緑Ｉ_Gである。この方法によれば、密度の変化により赤・緑と青・緑の混合色で作られる縞が交互に発生するが、ρの値によって赤・緑と青・緑の混合比率が異なる。すなわち、この実施例では、密度が増加するほど赤に富んだ赤・緑の混合色、青に富んだ青・緑の混合色となる。このことから、干渉縞の色の変化傾向により、密度の増加・減少傾向を判定することが可能となり、密度の絶対量を知ることができる。
【００２３】
図２は本発明にかかるコンピュータカラー干渉縞表示を行うための処理装置の概略構成図である。
【００２４】
この図において、１はデータ入力装置、２は入力インタフェース、３はＣＰＵ（中央処理装置）、４は補助記憶装置（磁気テーブやＣＤなどの外部記憶装置）を含む記憶装置、５は出力インタフェース、６はデータ入力装置を含むカラー干渉縞画像表示装置である。
【００２５】
以下、本発明のコンピュータカラー干渉縞表示の実施の手順は次の通りである。その流れを図３に示す。
【００２６】
（１）カラーパレットからカラーテーブルを作る。
【００２７】
図１の例では、赤、緑、青の基本三原色を用いている。緑を基準の位置に配置して、干渉縞の強度により赤←黄←（緑）→シアン→青と変化するように作られている。
【００２８】
（２）カラーテーブルのそれぞれの色にカラーコード番号Ｉ_Cをつける。
【００２９】
（３）適切な計算スキームを用いた数値シミュレーションにより、密度ρの変化（空間分布）を求め、密度ρのデータファイル｛ρ｝を作る。
【００３０】
（４）密度ρのデータファイル｛ρ｝から、密度の最大値ρ_maxを求める。
【００３１】
（５）密度の最大値ρ_maxを参考に縞の１フリンジあたりの密度差Δρを決める。このΔρの値が小さいほど緻密な干渉縞を表示できる。
【００３２】
（６）密度の最大値ρ_max、縞の１フリンジあたりの密度差Δρ、カラーコード番号の最大値Ｉ_C,maxを用いて、次式によりＫ_optを求める。
【００３３】
Ｋ_opt＝Ｉ_C,max／（ρ_max／Δρ）
（７）Ｋ_optの値を式（２）のＫの値とする。
【００３４】
ここで、Ｋは密度の変化に対する干渉縞の強度変化の割合を示している。
【００３５】
Ｋ_opt以外の値を用いることにより干渉縞の色相の変化を調整することが可能である。
【００３６】
（８）密度ρに関するデーターファイル｛ρ｝中のすべてのρについて、上記〔式（２）〕よりカラーコード番号Ｉ_Cを計算する。なお、図３では、このρとＩ_Cをρ_rおよびＩ_rで示している。
【００３７】
Δρ、Ｋの値は、上記（５）と（７）の過程ですでに決められている。
【００３８】
（９）カラーコード番号をつけたカラーテーブルを参照して、データーファイル｛ρ｝のすべてについてＩ_Cに対応する色相のピクセルを順次表示することにより、カラー干渉縞が完成する。
【００３９】
図４は本発明による密度の絶対値がわかるカラー干渉法による結果を示す図であり、１１は緑、１２は赤、１２ａ〜１２ｇは緑と赤の混合色、１３ａ〜１３ｇは緑と青の混合色である。
【００４０】
これは、図６に示したコーナーを伝播する衝撃波の例により画像表示したものである。図７に示された従来の干渉縞法で得られる結果に比して、図４によれば、回折衝撃波背後の密度の変化の様子や二次衝撃波の存在による密度の変化の状況を色の違いで読み取ることができる。
【００４１】
従来の流れの可視化技術では、気体中に存在する圧力波の動きを読み取っていたが、本発明によれば、気体の密度やその変化を含めた圧力波の伝播の様子と流れの特性を知ることができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【００４３】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【００４４】
（Ａ）流れ場における密度変化をコンピュータ処理を施したカラー情報で視覚化し、流れを定量的に可視化することができる。
【００４５】
（Ｂ）回折衝撃波背後の密度の変化の様子や二次衝撃波の存在による密度の変化の状況を色の違いで読み取ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の密度の絶対量がわかるカラー干渉法の説明図である。
【図２】本発明にかかるコンピュータカラー干渉縞表示を行うための処理装置の概略構成図である。
【図３】本発明のコンピュータカラー干渉縞表示の実施の手順を示す図である。
【図４】本発明の密度の絶対値がわかるカラー干渉縞法による結果を示す図である。
【図５】従来の干渉縞法の原理を示す図である。
【図６】干渉縞法の適用例（コーナーを伝播する衝撃波）を示す図である。
【図７】従来の干渉縞法による結果を示す図である。
【符号の説明】
１データ入力装置
２入力インタフェース
３ＣＰＵ（中央処理装置）
４補助記憶装置（磁気テーブやＣＤなどの外部記憶装置）を含む記憶装置
５出力インタフェース
６データ入力装置を含むカラー干渉縞画像表示装置
１１緑
１２赤
１２ａ〜１２ｇ緑と赤の混合色
１３ａ〜１３ｇ緑と青の混合色[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to the simulation of gas in a simulation suitable for development of fluid machinery and industrial equipment with high-speed gas flow inside, and development of industrial equipment using propagation of pressure waves such as shock waves and expansion waves. The present invention relates to a flow visualization method.
[0002]
[Prior art]
In the development of fluid machinery and industrial equipment that involves high-speed gas flow inside, and in the development of industrial equipment that uses the propagation of pressure waves such as shock waves and expansion waves, the flow field can be visualized by flow visualization and flow measurement. It is very important to understand the characteristics.
[0003]
Since the gas density changes in the high-speed flow of gas inside the device and the propagation of pressure waves represented by shock waves and expansion waves, optical methods using the properties of light are generally used to visualize the flow. Used. Unlike contact measurement such as pressure and temperature, the optical method is non-contact measurement, so it has the advantage of not disturbing the flow field. Typical methods include the schlieren method, the shadow graph method, and the interference fringe method.
[0004]
According to the Schlieren method and the shadow graph method, the light brightness proportional to the primary change rate and the secondary change rate of the gas density in the flow field is photographed on the film screen using the refraction of light. Cannot be quantitatively evaluated.
[0005]
On the other hand, the interference fringe method has a feature that the amount of change from the reference density value can be obtained from the number of deviations of the interference fringes photographed on the film screen.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional interference fringe display method described above, since the interference fringes are created with monochromatic light having the same light intensity amplitude, the flow field density is changing in the increasing direction or the decreasing direction. It is impossible to read from the interference fringe photograph whether or not it has changed, and as a result, the absolute amount of density cannot be known. With regard to this property, special attention must be paid when visualizing a supersonic flow in which a complex wave exists in the flow and a gas density compression field and expansion field are mixed.
[0007]
Hereinafter, this point will be described in detail.
[0008]
In the conventional interference fringe display method, an interference fringe is created with light brightness (monochrome) with respect to the value of I calculated by the following equation (1).
[0009]
[Expression 1]

[0010]
In the above formula (1), ρ is a gas density, Δρ is a gas density difference per fringe, ρ _o is a reference density, and K is a sensitivity constant. I is the brightness on the interference fringes, I = 0 is black, and I = 2K (the maximum value of I) is white.
[0011]
FIG. 5 conceptually shows the above formula (1). In FIG. 5, the horizontal axis ρ−ρ _o is the density difference from the reference density, and the vertical axis I is the brightness of the interference fringes. As indicated by a broken line in the figure, when the density difference is ρ _r , the brightness of the interference fringes is I _r . In this method, white and black stripes are alternately generated due to the density change, but the amplitude of the brightness of the stripes is constant regardless of the value of ρ (2K when converted to a numerical value).
[0012]
FIG. 6 is a diagram showing an application example of the interference fringe method (shock wave propagating in a corner), and FIG. 7 is a diagram showing a result of the conventional interference fringe method.
[0013]
As can be seen from this figure, it cannot be determined whether interference fringes are created in the direction of increasing density or interference fringes are created in the decreasing direction. Also, the absolute amount of density is unknown.
[0014]
The present invention is completely different from the conventional “color interference fringe method” devised so that even density fringes can be identified even when there are discontinuous surfaces of density. This will be called “color interference fringe method”.
[0015]
In view of the above situation, the present invention relates to the “color interference fringe method that can know the absolute amount of density”, a computer that can visualize density changes in a flow field with color information subjected to computer processing, and can visualize the flow quantitatively. An object is to provide a color interference fringe display method.
[0016]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In the computer color interference fringe display method, the maximum amplitude of the interference fringe obtained by the change of the gas density in the propagation of the pressure wave is changed as a function of the density, and the display is made corresponding to the density.
[0017]
[2] In the computer color interference fringe display method, the hue of the interference fringe obtained by the change in the density of the gas in the propagation of the pressure wave is displayed in correspondence with the density by the color table contrasted with the intensity of the interference fringe. It is characterized by that.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.
[0019]
In the present invention, an interference fringe is created with a type of color corresponding to the value of I _C calculated by the following equation (2).
[0020]
[Expression 2]

[0021]
In the above formula (2), ρ is the gas density, Δρ is the gas density difference per fringe, and K is the sensitivity constant. I _C is the type of color on the interference fringes.
[0022]
The present invention is essentially different from the conventional interference fringe display method in that the maximum amplitude of the interference fringes is changed as a function of the density ρ. FIG. 1 shows an example conceptually showing the expression (2). In FIG. 1, the horizontal axis ρ is density, and the vertical axis I _C is the type of interference fringe color. In this example, the interference fringes are created with two mixed colors of red (R), green (G), and blue (B). As shown by the broken line in the figure, when the gas density is ρ _r , the interference fringe color type I _r is a mixed color of red (R) and green (G). In this case, the mixing ratio of the color I _r is a green I _G for red I _R. According to this method, stripes made of a mixed color of red / green and blue / green are alternately generated due to a change in density, but the mixing ratio of red / green and blue / green differs depending on the value of ρ. That is, in this embodiment, as the density increases, the mixed color of red / green rich in red and the mixed color of blue / green rich in blue are obtained. From this, it becomes possible to determine the increasing / decreasing tendency of the density based on the change tendency of the color of the interference fringes, and the absolute amount of the density can be known.
[0023]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a processing apparatus for performing computer color interference fringe display according to the present invention.
[0024]
In this figure, 1 is a data input device, 2 is an input interface, 3 is a CPU (central processing unit), 4 is a storage device including an auxiliary storage device (external storage device such as a magnetic table or CD), 5 is an output interface, A color interference fringe image display device 6 includes a data input device.
[0025]
Hereinafter, the procedure for carrying out the computer color interference fringe display of the present invention is as follows. The flow is shown in FIG.
[0026]
(1) Create a color table from the color palette.
[0027]
In the example of FIG. 1, basic three primary colors of red, green, and blue are used. Green is arranged at the reference position, and it is made to change from red ← yellow ← (green) → cyan → blue depending on the intensity of interference fringes.
[0028]
(2) A color code number I _C is assigned to each color of the color table.
[0029]
(3) A change (spatial distribution) of the density ρ is obtained by a numerical simulation using an appropriate calculation scheme, and a data file {ρ} of the density ρ is created.
[0030]
(4) The maximum density ρ _max is obtained from the data file {ρ} of the density ρ.
[0031]
(5) The density difference Δρ per fringe of the stripe is determined with reference to the maximum value ρ _max of the density. The smaller the value of Δρ, the more precise interference fringes can be displayed.
[0032]
(6) Using the maximum density value ρ _max , the density difference Δρ per fringe of fringes, and the maximum value I _{C, max} of the color code number, K _opt is obtained by the following equation.
[0033]
K _opt = I _{C, max} / (ρ _max / Δρ)
(7) _Let K _{opt be} the value of K in equation (2).
[0034]
Here, K represents the ratio of the interference fringe intensity change to the density change.
[0035]
By using a value other than K _opt , it is possible to adjust the hue change of the interference fringes.
[0036]
(8) For all ρ in the data file {ρ} regarding the density ρ, the color code number I _C is calculated from the above [Equation (2)]. In FIG. 3, ρ and I _C are indicated by ρ _r and I _r .
[0037]
The values of Δρ and K are already determined in the processes (5) and (7).
[0038]
(9) With reference to the color table with color code numbers, the color interference fringes are completed by sequentially displaying the pixels of the hue corresponding to I _C for all of the data files {ρ}.
[0039]
FIG. 4 is a diagram showing the result of color interferometry in which the absolute value of the density according to the present invention is known. 11 is green, 12 is red, 12a to 12g are mixed colors of green and red, and 13a to 13g are green and blue. It is a mixed color.
[0040]
This is an image displayed by an example of a shock wave propagating through the corner shown in FIG. Compared to the results obtained by the conventional interference fringe method shown in FIG. 7, according to FIG. 4, the state of density change behind the diffracted shock wave and the state of density change due to the presence of the secondary shock wave Can be read by difference.
[0041]
In the conventional flow visualization technology, the movement of the pressure wave that exists in the gas is read, but according to the present invention, the propagation state of the pressure wave including the density of the gas and its change and the flow characteristics are known. be able to.
[0042]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0043]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0044]
(A) The density change in the flow field can be visualized by color information subjected to computer processing, and the flow can be visualized quantitatively.
[0045]
(B) The state of density change behind the diffracted shock wave and the state of density change due to the presence of the secondary shock wave can be read by the color difference.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of color interferometry in which the absolute amount of density according to the present invention is known.
FIG. 2 is a schematic configuration diagram of a processing apparatus for performing computer color interference fringe display according to the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a procedure for carrying out computer color interference fringe display of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating a result obtained by a color interference fringe method in which an absolute value of density according to the present invention is known.
FIG. 5 is a diagram showing the principle of a conventional interference fringe method.
FIG. 6 is a diagram showing an application example of the interference fringe method (shock wave propagating in a corner).
FIG. 7 is a diagram showing a result obtained by a conventional interference fringe method.
[Explanation of symbols]
1 Data Input Device 2 Input Interface 3 CPU (Central Processing Unit)
4 Storage device including auxiliary storage device (external storage device such as magnetic table or CD) 5 Output interface 6 Color interference fringe image display device including data input device 11 Green 12 Red 12a to 12g Mixed color 13a to 13g of green and red Mixed color of green and blue

Claims

A computer color interference fringe display method characterized in that a maximum amplitude of interference fringes obtained by a change in gas density in the propagation of pressure waves is changed as a function of the density and displayed in accordance with the density.

A computer color interference fringe display characterized in that the hue of interference fringes obtained by the change of gas density in the propagation of pressure waves is displayed corresponding to the density by means of a color table contrasted with the intensity of the interference fringes Method.