JP6251910B2 - 非接触流体速度計測方法及び装置 - Google Patents

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Description

本発明は、非接触流体速度計測法及びその装置に関する。
気体・液体の速度分布を可視化計測する手法として２次元PIV（Particle Image
Velocimetry、粒子画像流速測定法）計測法が知られている。この計測法では、流れ場にトレーサーと呼ばれる粒子を噴霧し、デジタルカメラの光軸に対して垂直方向から、光学系を用いてシート状に屈折させたレーザービーム光を照射する。レーザービーム光が照射された領域でトレーサー粒子が散乱光を発し、これをデジタルカメラで撮影する。この粒子像の移動量をPIV法により解析することで、レーザービーム光の照射面の平面での２次元速度分布を得ることができる。
また、これを３次元空間内の速度分布計測に拡張する応用的手法としてトモグラフィックPIV法（非特許文献１）が知られている。
Elsinga G E, Scarano F, Wieneke B, van Oudheusden B W,"Tomographic particle image velocimetry" Exp.Fluids 41 (2006), pp.933−947.
非接触の３次元の流体速度計測をする技術として、トモグラフィックPIV法（非特許文献１）では計測領域全体に入射光を当て、複数台のカメラを用いて得られた撮影画像をCT（コンピュータトモグラフィー）法により比較照合することで計測領域内の粒子の３次元空間上の位置を算定し、この移動量から３次元速度分布を得ている。しかし、計測領域内には形状、輝度がほぼ同じ粒子が多数存在するため、粒子の取り違いによる速度場の過誤が生じやすいという問題があった。
そこで、本発明は、上記の問題を解決し、流体の３次元速度分布を高精度で測定することができる、新規の非接触流体速度計測法及びその装置を提供することを目的とする。
本発明の各課題は、以下の発明により解決することができる。
２次元PIV計測法においては、計測対象となる流体にトレーサー粒子を混入し、この流体にレーザービーム光をシート状に屈折させ、これを計測領域に照射するが、本発明では、レーザービーム光を縦方向に一往復させる間に横方向に複数回前後させることで屏風状の領域を走査することで、屏風状のレーザーシート光を形成し、可視化断面とする（図１）。
可視化断面の形状を図２に示す。この走査を2回行い、2枚一組の可視化画像を得て、これにPIV法を適用することで、レーザービーム光が照射された屏風状の折れ面上での速度分布を得ることができる。この計測結果を3次元的に補間することで、3次元空間全体の速度分布を算出することができる。
なお、１種類のビーム光源を用いてレーザービーム光の走査を2回行い、2枚一組の可視化画像を得る場合、計測対象となる流れ場の流速が速く、ビーム光の照射間隔を短くする必要がある場合には、回転鏡を高速回転させる必要があるが、回転鏡を高速回転させた場合、回転鏡の駆動系の脱調等の不具合が予想される。
そこで、ビーム光の異なる複数のビーム光源を用いて、各色ビームに位相差を与えて走査することで1枚のカラー画像を得て、このカラー画像を色分解することで時間差を与えた複数の可視化画像を得て、これにPIV法を適用することが考えられる。
また、回転鏡の走査を、図１に示すような折れ線状ではなく、サインカーブ状にすることで、回転鏡にかかる慣性モーメントを最小化させ、脱調を起こりにくくことが考えられる。こうした改良を行うことで、高速流に対しても本計測法を適用することができる。
本発明により、流体中の速度分布を非接触、多点計測可能な計測方法として、粒子の取り違いによる速度場の過誤もなく、流体の３次元速度分布を高精度で測定することができた。
本発明の回転鏡のタイミングチャート 本発明のレーザーシート光により形成される可視化断面 本発明の実験装置図 本発明による３次元速度分布計測結果
以下、添付図面を参照しながら、本発明を実施するための形態を詳細に説明する。
本計測法を垂直噴流現象に適用した実験装置図を図３に示す。噴出口12を持つ流れ場13において、計測を行った。レーザー光源３から照射されたレーザービーム光８は回転鏡駆動装置５で制御された第１回転鏡4、および回転鏡駆動装置７で制御された第2回転鏡６により屈折させ、レーザーシート光として流れ場13に導入させる。流れ場13内にはトレーサー粒子10が超音波噴霧器9により噴霧される。レーザーシート光により形成された可視化断面はデジタルカメラ11により微小時間離れた複数の時刻において撮影される。
流れ場内を走査するための屏風状に折れ曲がった可視化断面を形成するため、可視化断面を形成するため、図３に示す2個の回転鏡を用いて、第１回転鏡4が1往復する間に第2回転鏡６を複数回往復させ、その間にビーム光を照射する。第１回転鏡4および第2回転鏡６の位相と、レーザービーム光８の照射のタイミングチャートを図１に示す。この方法で得られた可視化画像にPIV法を適用することで、レーザーシート光が照射された屏風状の折れ面上での速度分布を得ることができる。
計測結果を図４に示す。計測領域下部から上部方向へ噴流が生じていることが分かり、各レーザーシート光の断面上において良好なPIV計測結果を得られており、３次元空間内の速度分布を計測できていることが分かる。
本発明により、流体中の速度分布を非接触、多点計測可能な計測方法および装置を提供することができる。トモグラフィックPIV法（従来技術１）では、計測領域全体を照射するため、デジタルカメラで撮影された画像には、手前から奥までの全領域に存在する粒子が映り込む。そのため、粒子数が多すぎると画像が曇って奥側の粒子が映らず、粒子数が少なすぎると、複数台のカメラを用いた粒子位置のマッチングに支障を来す。一方本発明では、光学機器の撮影面とレーザーシート光の平面が、直交しないように照射角を変えて照射することにより、３次元での計測を可能としており、２次元PIV法と同等の計測精度が得られることが、計測原理上保証されている。また、本発明では、レーザービーム光により照射される領域は厚さ1ミリ程度のシート状であり、照射領域の手前側、奥側の粒子の映り込みは無いため、粒子数の多少に関わらず計測可能である。
１…レーザーシート光
２…カメラ
３…レーザー光源
４…第1回転鏡
５…回転鏡駆動装置
６…第2回転鏡
７…回転鏡駆動装置
８…レーザービーム光
９…超音波噴霧器
10…トレーサー粒子
11…カメラ
12…噴出口
13…流れ場

Claims (3)

  1. 流れ場に混入させたトレーサー粒子に微小時間離れた２時刻においてレーザーシート光を照射し、撮影することで、トレーサー粒子の流速を測定する粒子画像流速測定法において、
    前記レーザーシート光はレーザービーム光を第１の方向に一往復させる間に前記第１の方向とは直行する第２の方向に複数回往復する走査を行い略屏風状となるように形成されて照射され、
    前記レーザーシート光は、撮影する光学機器の光軸と照射されるレーザーシート光の平面が、直交しない角度で照射されることを特徴とする非接触流体速度計測方法
  2. 前記第１の方向は縦方向であり、前記第２の方向は横方向である請求項1に記載の非接触流体速度計測方法
  3. レーザー光源と、
    前記レーザー光源から照射されたレーザービーム光を第１の方向に一往復させる間に前記第１の方向とは直行する第２の方向に複数回往復させ、レーザーシート光を形成するレーザーシート光形成手段と、
    前記レーザーシート光が照射された可視化面を撮影する装置と
    を備え、
    前記レーザーシート光形成手段は、回転駆動装置と、前記回転駆動装置により制御される鏡とから成る非接触流体速度計測装置
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