JP4577193B2 - Flow field measurement method using particle tracking method - Google Patents
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Description
本発明は、流体中にトレーサ粒子を混入させ、トレーサ粒子の位置を非接触で計測することにより流場を計測する粒子追跡法を用いた流場計測方法に関するものである。 The present invention relates to a flow field measurement method using a particle tracking method in which a flow field is measured by mixing tracer particles in a fluid and measuring the position of the tracer particles in a non-contact manner.
従来から、流体中に微小粒子であるトレーサ粒子を混入させ、位置計測装置によって非接触でトレーサ粒子の位置を追跡し、流体の速度分布を求める技術が知られている。この種の技術において、個々のトレーサ粒子を追跡し、各トレーサ粒子の速度ベクトルを求める技術はPTV(Particle Tracking Velocimetry)と呼ばれている。PTVによって得られるトレーサ粒子の速度ベクトルからは速度分布が求められ、さらに速度分布からは、渦度、せん断ひずみ速度、流線などを求めることができる。このように、速度分布を求めたり、速度分布から流体の振る舞いに関する情報を抽出したりすることで流場に関する定量的な計測がなされる。つまり、流場が計測される。 2. Description of the Related Art Conventionally, a technique is known in which tracer particles, which are fine particles, are mixed in a fluid, the position of the tracer particles is tracked in a non-contact manner by a position measurement device, and the velocity distribution of the fluid is obtained. In this type of technique, a technique for tracking individual tracer particles and obtaining a velocity vector of each tracer particle is called PTV (Particle Tracking Velocimetry). From the velocity vector of the tracer particles obtained by PTV, a velocity distribution can be obtained. Further, from the velocity distribution, vorticity, shear strain velocity, streamline, and the like can be obtained. As described above, the flow field is quantitatively measured by obtaining the velocity distribution or extracting the information on the behavior of the fluid from the velocity distribution. That is, the flow field is measured.
ところで、位置計測装置としては主としてTVカメラが用いられており、トレーサ粒子の速度ベクトルを求める方法には、単独のTVカメラで撮像した時間差を持つ複数枚の2次元画像において対応するトレーサ粒子の位置関係を求める2次元PTVと、複数台のTVカメラで撮像した画像内で同じトレーサ粒子同士を対応付け、TVカメラの視差を考慮してトレーサ粒子の3次元位置を求める3次元PTVとが知られている。 By the way, a TV camera is mainly used as the position measuring device, and the method for obtaining the velocity vector of the tracer particles is the position of the corresponding tracer particles in a plurality of two-dimensional images having time differences imaged by a single TV camera. Two-dimensional PTV for obtaining a relationship and three-dimensional PTV for associating the same tracer particles in an image captured by a plurality of TV cameras and obtaining a three-dimensional position of the tracer particles in consideration of the parallax of the TV camera are known. ing.
ただし、2次元PTVでは、トレーサ粒子の移動方向がTVカメラによる撮像平面に交差しているとトレーサ粒子の速度ベクトルを正確に抽出することができない。そこで、トレーサ粒子の速度ベクトルを求める必要があるときには3次元PTVが採用される(たとえば、特許文献1参照)。
ところで、3次元PTVではトレーサ粒子の3次元位置を追跡することができるから、速度ベクトルを正確に抽出することができるが、流場の特定箇所における速度分布を検出しようとすれば、多数個のトレーサ粒子について3次元位置を検出しなければならず、個々のトレーサ粒子の追跡が困難になる。一方、追跡が容易になるようにトレーサ粒子の個数を少なくすれば、位置計測装置の空間分解能に対して相対的にトレーサ粒子の個数が少なくなるから、位置計測装置の空間分解能に対して相対的に流場の特定箇所における速度分布の抽出精度が低下することになる。 By the way, since the three-dimensional PTV can track the three-dimensional position of the tracer particles, the velocity vector can be accurately extracted. However, if a velocity distribution at a specific location in the flow field is to be detected, a large number of The three-dimensional position must be detected for the tracer particles, making it difficult to track individual tracer particles. On the other hand, if the number of tracer particles is reduced so as to facilitate tracking, the number of tracer particles is reduced relative to the spatial resolution of the position measurement device. In addition, the extraction accuracy of the velocity distribution at a specific location in the flow field is lowered.
本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、位置計測装置で計測されるトレーサ粒子の追跡が容易であり、しかも速度分布を抽出する際には位置計測装置の空間分解能に見合う程度に多数個のトレーサ粒子の位置を用いて速度分布を精度よく抽出することができるようにした粒子追跡法を用いた流場計測方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above reasons, and its purpose is to easily trace the tracer particles measured by the position measuring device, and to extract the velocity distribution, the spatial resolution of the position measuring device. It is an object of the present invention to provide a flow field measurement method using a particle tracking method in which the velocity distribution can be accurately extracted by using the positions of a large number of tracer particles as much as possible.
請求項1の発明は、撹拌翼の回転に伴って撹拌翼の回転軸を中心とする流動を生じる撹拌槽内の流体にトレーサ粒子を混入させ、非接触かつ所定の時間間隔で位置計測を行う位置計測装置によりトレーサ粒子の3次元位置を追跡し、トレーサ粒子の位置の時間変化により撹拌槽内の流場を計測する方法であって、撹拌翼の回転軸の延長方向を一つの座標軸に持つ2次元平面を設定し、トレーサ粒子の3次元位置の追跡で得た原データを回転軸の回りに回転させることにより原データを前記2次元平面の位置に配置した後、2次元平面の位置に配置した原データを用いて流場を計測することを特徴とする。 According to the first aspect of the present invention, tracer particles are mixed in the fluid in the agitation tank that generates a flow around the rotation axis of the agitation blade as the agitation blade rotates, and position measurement is performed at a predetermined time interval without contact. This is a method of tracking the three-dimensional position of tracer particles with a position measuring device and measuring the flow field in the agitation tank according to the time change of the position of the tracer particles, with the extension direction of the rotation axis of the agitation blade as one coordinate axis After setting the two-dimensional plane and rotating the original data obtained by tracking the three-dimensional position of the tracer particles around the rotation axis, the original data is arranged at the position of the two-dimensional plane, and then placed at the position of the two-dimensional plane. The flow field is measured using the arranged original data.
この方法では、流体に撹拌翼の回転軸を中心とする流動が生じていることを利用し、トレーサ粒子と回転軸の延長方向とを含む平面に対するトレーサ粒子の速度ベクトルの向きが、撹拌翼の回転方向における位置には依存しないとみなしている。言い換えると、トレーサ粒子の3次元位置の追跡で得られる速度ベクトルのような原データは、回転軸の回りに回転させても情報が失われることなく保存されることに着目している。したがって、回転軸を一つの座標軸に持つ2次元平面を設定し、原データを回転軸の軸回りに回転させることにより設定した2次元平面に原データを配置することにより、原データが持つ情報を保存しながらも、2次元平面に多数の原データを集約して配置することができる。つまり、位置計測装置の空間分解能に対して流体に混入させるトレーサ粒子の個数を比較的少なくすることができるから、位置計測装置において計測したトレーサ粒子の位置の追跡が容易になる。しかも、1枚の2次元平面に原データを集めて配置するから、流場を計測する際には2次元平面に集められた多数個の原データを用いることができ、位置計測装置の空間分解能に見合う程度に多数個のトレーサ粒子を用いて速度分布を精度よく抽出することができる。また、速度ベクトルのようなベクトル量だけではなく、原データから求められるスカラー量についても精度よく抽出することができる。 In this method, the fluid flows around the rotation axis of the stirring blade, and the direction of the velocity vector of the tracer particle with respect to the plane including the tracer particle and the extension direction of the rotation shaft is It is assumed that it does not depend on the position in the rotational direction. In other words, attention is paid to the fact that the original data such as the velocity vector obtained by tracking the three-dimensional position of the tracer particle is preserved without being lost even if it is rotated around the rotation axis. Therefore, by setting a two-dimensional plane having a rotation axis as one coordinate axis and arranging the original data on the two-dimensional plane set by rotating the original data around the axis of the rotation axis, the information possessed by the original data can be obtained. While saving, a large number of original data can be aggregated and arranged on a two-dimensional plane. That is, since the number of tracer particles mixed into the fluid can be relatively reduced with respect to the spatial resolution of the position measurement device, the position of the tracer particles measured by the position measurement device can be easily tracked. Moreover, since the original data is collected and arranged on a single two-dimensional plane, when measuring the flow field, a large number of original data collected on the two-dimensional plane can be used, and the spatial resolution of the position measurement device Therefore, the velocity distribution can be extracted with high accuracy by using a large number of tracer particles as much as possible. Further, not only the vector quantity such as the velocity vector but also the scalar quantity obtained from the original data can be accurately extracted.
請求項2の発明では、請求項1の発明において、前記撹拌槽の内側面は前記撹拌翼の回転軸を中心とする回転体形状に形成されていることを特徴とする。 According to a second aspect of the invention, in the first aspect of the invention, the inner surface of the agitation tank is formed in a rotating body shape centered on the rotation axis of the agitation blade.
この方法は、速度ベクトルの向きが撹拌翼の回転方向における位置には依存しない流場を撹拌槽の内側面の形状により実現するものであり、撹拌槽の内側面の形状は回転軸に直交する断面が円形であることが多いから、本発明の技術を多くの撹拌槽に適用することができる。 This method realizes a flow field whose direction of the velocity vector does not depend on the position of the stirring blade in the rotation direction by the shape of the inner surface of the stirring tank, and the shape of the inner surface of the stirring tank is orthogonal to the rotation axis. Since the cross section is often circular, the technique of the present invention can be applied to many stirring tanks.
請求項3の発明は、請求項1または請求項2の発明において、前記トレーサ粒子に関する原データを前記2次元平面の位置に配置するにあたり、1個のトレーサ粒子に関する隣接した2位置の差である速度ベクトルの始点と終点とのいずれか一方を2次元平面に位置させることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the invention, when the original data relating to the tracer particle is arranged at a position on the two-dimensional plane, the difference between two adjacent positions relating to one tracer particle is obtained. One of the start point and the end point of the velocity vector is positioned on a two-dimensional plane.
この方法によれば、速度ベクトルの始点と終点とのいずれか一方を2次元平面に位置させているから、すべての速度ベクトルが2次元平面を起点として並び、速度分布を2次元平面上で一目瞭然で検出することができる。 According to this method, since either the start point or the end point of the velocity vector is located on the two-dimensional plane, all the velocity vectors are arranged starting from the two-dimensional plane, and the velocity distribution can be clearly seen on the two-dimensional plane. Can be detected.
本発明の構成によれば、位置計測装置の空間分解能に対して流体に混入させるトレーサ粒子の個数を比較的少なくすることができるから、位置計測装置において計測したトレーサ粒子の位置の追跡が容易になるという利点があり、しかも、1枚の2次元平面に原データを集めて配置するから、流場を計測する際には2次元平面に集められた多数個の原データを用いることができ、位置計測装置の空間分解能に見合う程度に多数個のトレーサ粒子を用いて速度分布を精度よく抽出することができるという利点を有する。 According to the configuration of the present invention, since the number of tracer particles mixed into the fluid can be relatively reduced with respect to the spatial resolution of the position measurement device, the position of the tracer particles measured by the position measurement device can be easily tracked. Moreover, since the original data is collected and arranged on a single two-dimensional plane, a large number of original data collected on the two-dimensional plane can be used when measuring a flow field. This has the advantage that the velocity distribution can be extracted with high accuracy using a large number of tracer particles to the extent that matches the spatial resolution of the position measuring device.
以下に説明する実施形態では、図1に示すように、有底円筒状であって軸方向を上下方向に一致させて設置される撹拌槽1の中に、複数枚(図示例では6枚)の羽根2aを有した撹拌翼2が配置される。撹拌翼2には撹拌槽1の軸方向に沿った中心線上に回転軸3が設けられる。回転軸3は上端部に結合されたモータ4により回転駆動力が与えられる。
In the embodiment described below, as shown in FIG. 1, a plurality of pieces (six pieces in the illustrated example) are provided in the
撹拌槽1の内側面は軸方向に直交する断面が円形であるから、撹拌槽1の内側面は撹拌翼2の回転軸3を中心とする回転体形状に形成されていることになる。回転体形状としては、軸方向における直径が変化しない円筒状のほか、軸方向の位置に応じて直径が変化する形状を採用することも可能である。また、撹拌翼2は回転軸3を対称軸として対称性を有するように形成されている。具体的には、回転軸3の下端部から回転軸3の回転方向における等角度間隔で羽根2aが放射状に突設される。したがって、撹拌槽1に流体7を注入し、モータ4により回転軸3を回転させると、撹拌槽1の中の流体7に撹拌翼2の回転軸3を中心とする流動が生じる。
Since the inner surface of the
本実施形態では3次元PTVの技術を用いて撹拌槽1の中の流体7に生じるの流場を計測するるために、撹拌槽1の中の流体7には微粒子(粒子径が0.5〜150μm)であるトレーサ粒子が混入される。また、トレーサ粒子の3次元位置を計測するために位置計測装置5が設けられる。位置計測装置5は、2台のTVカメラ5a,5bを用いてトレーサ粒子を所定の時間間隔で撮像し、両TVカメラ5a,5bの視差を利用して多数のトレーサ粒子の3次元位置を被接触で計測する。すなわち、位置計測装置5ではトレーサ粒子について撹拌槽1の中での3次元位置の情報を持つ3次元画像を生成する。
In the present embodiment, in order to measure the flow field generated in the
ここにおいて、TVカメラ5a,5bを用いて撹拌槽1の外部からトレーサ粒子を撮像するから、撹拌槽1は透明材料により形成される。また、3次元位置は回転軸3に並行な方向をz軸とする直交座標系において求める。この場合、各TVカメラ5a,5bを、光軸がz軸に直交し、かつ両TVカメラ5a,5bの光軸が互いに直交するように配置すれば、各TVカメラ5a,5bで撮像された画像の水平方向がそれぞれx方向,y方向に対応することになる。
Here, since the tracer particles are imaged from the outside of the stirring
位置計測装置5には流場解析装置6が接続されており、流場解析装置6は、コンピュータを用いた一種の画像処理装置であって、位置計測装置5で生成された3次元画像を対象として以下の画像処理を行う。3次元画像は所定時間ごとに得られているから、各3次元画像の中でトレーサ粒子の対応付けを行い、各トレーサ粒子を追跡する必要がある。トレーサ粒子の追跡には、時間軸方向において隣接する2枚ずつの3次元画像の間でトレーサ粒子を対応付ける。トレーサ粒子を追跡する技術については種々提案されているので、適宜の技術を採用すればよい。
A flow
流場解析装置6では、トレーサ粒子の追跡後に各トレーサ粒子ごとに速度ベクトルを原データとして求める。いま、時刻t1と時刻t2(>t1)とにおける3次元画像において、1個のトレーサ粒子について3次元位置がそれぞれ[A](t1)=(x1,y1,z1)、[A](t2)=(x2,y2,z2)であったとし、速度ベクトル[U](t)の時刻として始点位置の時刻t1を採用し、Δt=t2−t1とおけば、速度ベクトル[U](t1)は、次式で表される。なお、以下では、ベクトルを[A]という形式で表す。
[U](t1)={[A](t2)−[A](t1)}/Δt
=((x2−x1)/Δt,(y2−y1)/Δt,(z2−z1)/Δt)
ところで、本実施形態における流場は撹拌翼2の回転軸3を中心とする流動を生じるから、回転軸3を中心とする撹拌翼2の回転方向におけるどの位置であっても、回転軸3を含む2次元平面に対する速度ベクトルは等価に扱うことができる。つまり、回転軸3を中心として回転方向のどの位置においても幾何学的には同一であると言える。そこで、回転方向の位置成分を除去しやすいように、トレーサ粒子の3次元位置を直交座標系から円筒座標系に変換する。この変換を容易にするために、直交座標系における原点の位置は回転軸3の上に設定しているものとする。
The
[U] (t 1 ) = {[A] (t 2 ) − [A] (t 1 )} / Δt
= ((X 2 −x 1 ) / Δt, (y 2 −y 1 ) / Δt, (z 2 −z 1 ) / Δt)
By the way, since the flow field in the present embodiment generates a flow around the
なお、とくに限定する趣旨ではないが、撹拌槽1と撹拌翼2との寸法関係は、以下のように設定した。すなわち、撹拌槽1の内径は200mm、撹拌槽1内の流体7の高さは200mm、撹拌翼2の外径は50mm、撹拌翼2の回転軸3に沿う方向の幅は10mm、撹拌槽1の内底面から撹拌翼2の下面までの高さは100mmとした。この条件では、回転軸3の回転方向のすべての位置において幾何学的に同一であるという条件を満たすことができた。
Although not specifically limited, the dimensional relationship between the stirring
時刻tにおけるトレーサ粒子の3次元位置を直交座標系で表したときに、[A](t)=(x(t),y(t),z(t))であり、円筒座標系で表したときに[A](t)=(r(t),θ(t),z(t))であるとすれば、数1の関係が成立する。
[A] (t) = (x (t), y (t), z (t)) when the three-dimensional position of the tracer particle at time t is expressed in the orthogonal coordinate system, and expressed in the cylindrical coordinate system. If [A] (t) = (r (t), θ (t), z (t)) at this time, the relationship of
上述したように、撹拌槽1の中の流場が回転方向のすべての位置において幾何学的に同一であって、速度ベクトルが回転軸3の回転方向の位置の影響を受けないとみなせる場合には、円筒座標系における角度成分θを無視することができる。つまり、回転軸3の回転方向の各位置の速度ベクトルについて、回転方向の各位置においてz軸を含むように設定した2次元平面に対する情報にのみ着目すればよいと言える。
As described above, when the flow field in the
そこで、図2、図3に示すように、z軸を一つの座標軸に持つ基準となる2次元平面PLを設定し、回転軸3の回転方向の各位置においてz軸を一つの座標軸に持つように設定した2次元平面に対する各位置の速度ベクトルの関係を、2次元平面PLとの関係に置き換える。つまり、基準となる2次元平面PLの位置に、原データである速度ベクトルを配置するように速度ベクトル[U](t)の座標を変換する。座標変換にあたっては、速度ベクトルの始点を2次元平面PLの上に位置させる。時刻t1の速度ベクトル[U](t1)であれば、始点である3次元位置[A](t1)を2次元平面PLの上に位置するように、着目するトレーサ粒子について座標変換を行う。
Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, a reference two-dimensional plane PL having the z-axis as one coordinate axis is set, and the z-axis is set as one coordinate axis at each position in the rotation direction of the
ここでは、基準とする2次元平面PLをxz平面とし、回転軸3の回転方向の角度θをx軸の正の向きからy軸の正の向きに向かう回転方向で求めるものとする。この場合、時刻t1において、着目するトレーサ粒子の円筒座標系での位置が(r(t1),θ(t1),z(t1))であるとすれば、速度ベクトル[U](t1)を角度θ(t1)だけ回転させることにより、2次元平面PLに位置させることができる。数1によれば、θ(t1)=tan−1(y(t1)/x(t1))であるから、時刻tについて一般化し、角度がθ(t)である位置の速度ベクトル[U](t)=(ux,uy,uz)について、2次元平面PL上の速度ベクトル[U]bへの座標変換を行うとすれば、数2のようになる。なお、速度ベクトル[U](t)のうちz成分uzについては座標変換の影響を受けない。
Here, the reference two-dimensional plane PL is the xz plane, and the angle θ in the rotation direction of the
数2に示す座標変換を、すべてのトレーサ粒子について行えば、回転軸3の回転方向におけるトレーサ粒子の位置にかかわらず、着目するトレーサ粒子の速度ベクトル[U](t)を2次元平面PLに対する速度ベクトル[U]bとして扱うことが可能になる。その結果、たとえば、1個のトレーサ粒子に着目するだけでも2次元平面PLの上では多数個の速度ベクトル[U]bとして扱うことが可能になる。また、原データである速度ベクトルを2次元平面PLに集約することにより多数個のデータとして扱うことが可能になるから、TVカメラ5a,5bの分解能に対するトレーサ粒子の個数を減らしてトレーサ粒子の追跡を容易にしながらも、流場の計測に用いるデータの密度を高めることによって、流場を精度よく計測することができるようになる。速度ベクトルからは、回転軸3を含む断面内での流体7の速度分布を求めることができ、また、速度分布の微分演算や積分演算によって、せん断ひずみ速度、流線などを求めることができる。
If the coordinate transformation shown in
なお、上述した方法では、速度ベクトルを2次元平面PLに配置するから、回転軸3の回転方向における速度ベクトルの情報は失われるが、回転軸3に直交する断面内あるいは回転軸3に沿った断面内での速度分布の情報は保たれている。速度分布、せん断ひずみ速度、流線などを撹拌槽1の内部空間の各位置に対応付けるには、2次元平面PLの上での演算の後に、撹拌槽1の各空間へのデータの再配置を行う。
In the above-described method, since the velocity vector is arranged on the two-dimensional plane PL, information on the velocity vector in the rotation direction of the
また、上述の例では速度ベクトル[U](t)の始点位置を2次元平面PLに一致させる例を示したが、基準となる2次元平面PLに速度ベクトル[U](t)の終点を一致させてもよい。この場合、数2の角度θ(t1)として、tan−1(y(t2)/x(t2))を用いる。 In the above example, the start point position of the velocity vector [U] (t) is matched with the two-dimensional plane PL. However, the end point of the velocity vector [U] (t) is set on the reference two-dimensional plane PL. You may match. In this case, tan −1 (y (t 2 ) / x (t 2 )) is used as the angle θ (t 1 ) of Equation 2 .
上述した動作を図4に簡単にまとめる。まず、撹拌槽1内のトレーサ粒子について位置計測装置5を用いて3次元位置を計測する(S1)。得られた3次元画像において着目するトレーサ粒子を追跡し(S2)、さらに、回転軸3の回転方向におけるトレーサ粒子の位置と基準となる2次元平面PLとの間の角度差θ(t)を求める(S3)。また、着目するトレーサ粒子について速度ベクトル[U](t)を求める(S4)。速度ベクトル[U](t)を2次元平面PLの上に配置するように座標変換を施す(S5)。2次元平面PLに配置された速度ベクトル[U]bにより流場を計測し(S6)、速度分布やせん断ひずみ速度などを求める。2次元平面PL上での流場計測の結果を撹拌槽1内の空間に展開することにより、撹拌槽1の中の流場を出力する(S7)。この結果は、コンピュータのモニタ装置のような出力装置に出力される。
The operations described above are summarized in FIG. First, the three-dimensional position of the tracer particles in the
1 撹拌槽
2 撹拌翼
3 回転軸
4 モータ
5 位置計測装置
6 流場解析装置
PL 2次元平面
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