JP6593865B2 - 流場計測方法及び流場計測システム - Google Patents

Description

本発明は、トレーサ粒子を用いる流場計測方法及び流場計測システムに関する。

水中に設けた模型の周辺にトレーサ粒子を含んだ水の流れを形成し、トレーサ粒子の位置を追跡することによって流場を計測する技術が知られている。
流場を計測する技術は、例えば船舶の省エネルギー化の研究に用いられる。船舶の省エネルギー化に関し、船体やプロペラ周辺に装置や省エネ付加物を取付ける方法が考案されており、船舶の省エネ付加物としては様々な原理や方式のものが考案されているが基本的には粘性抵抗の低減や推進効率の向上を目的としたものが多い。実際の省エネ付加物の省エネ原理と効果を確認し、その高効率化を目指すためには付加物による流れの変化を詳細に知る必要があるため、模型船を用いた流場計測が行われている。船尾複雑流れの実験的アプローチによる解析は、レーザドップラー流速計（ＬＤＶ）を用いた非接触での詳細な流場計測によってその信頼性は飛躍的に向上したが、レーザ光の届かない場所でのＬＤＶ計測は未だ困難である。レーザ光の届かない場所の１例として、省エネ効果を目的とした船体付加物の１つであるダクトの内側があげられる。
レーザ光の届かない場所の流場を計測するためには、透明性の高い材料で形成した模型と作用流体の屈折率を合致させる屈折率整合技術を用いることが考えられる。屈折率整合技術を用いることによって、ＬＤＶやＰＩＶ（Ｐａｒｔｉｃｌｅ Ｉｍａｇｅ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ）のような光学計測に使用するトレーサ粒子の動きも屈折率整合を行った模型を通して可視化することが可能である。

ここで特許文献１には、屈折率が１．３０〜１．４０で、かつ２５０〜７００ｎｍの波長範囲の光透過率が８０％以上の含フッ素共重合体からなる可視化計測用もしくは光学的計測用成形体が開示されている。
また、特許文献２の表２には、３００ｎｍでの光透過率が８１〜８８％、６００ｎｍでの光透過率が９１〜９４％、屈折率が１．３３〜１．３５の含フッ素共重合体が開示されている。
また、特許文献３には、透明部材で流路の模型を形成すると共に、透明部材（例えばガラスやプラスチック）の屈折率と略同一の屈折率を有する液体（例えばフェノールフタレインを含有させたヨウ化ナトリウム）を模型内に流すことによって、流路内の液体の流れを観察する流動試験装置が開示されている。
また、特許文献４には、物体の内部における流体の流れをいわゆるピンぼけを起こすことなく可視化して計測するために、透明モデルを液体中に入れ、透明モデルの内部を流れる液体と外部を満たす液体との温度調節を行い、モデル材質（例えばシリコンゴム）と液体（例えばグリセリン水溶液）との屈折率のマッチングを図ると共に、このマッチングをレーザ装置と照射光の解析装置とを用いて判定するようにした三次元流れ場可視化装置が開示されている。

特開２００７−３０２７０８号公報 特開２００４−２１７７２８号公報 特開昭６１−１４８３４０号公報 特開２００５−３００５１５号公報

これまで屈折率整合技術を用いた流場計測は、特許文献３又は４のように、一般的な透明材料（アクリルなど）の屈折率に作用流体（ヨウ化ナトリウム水溶液）の屈折率を近づけることで計測が行われてきた。表１及び表２にＢｕｄｗｉｇが纏めた透明材料と作用流体の屈折率を示す（Budwig, R., 1994, Refractive index matching methods for liquid flow investigations, Experiments in Fluids, Vol. 17, 1994.）。
表１は透明材料の屈折率であり、表２は作用流体の屈折率である。

しかしながら、水に屈折率調整用の薬品を加えると密度・粘性等が変化するので、計測結果の解析が困難となる。また、屈折率整合に用いられるヨウ化ナトリウム水溶液などの高屈折率水溶液には毒性があるので、安全性の確保が必要である。また、高屈折率水溶液は１日から数日放置すると淡黄色に着色するので、透明模型が見えてしまう。また、高屈折率水溶液は排水処理を専門の処理業者に依頼する必要がある。また、高屈折率水溶液は水に比べて金属の腐食が大きいので、防錆対策が必要である。また、高屈折率水溶液は電気的な特性が変わるため、接触型の計測器は水溶液に合わせて仕様変更が必要である。また、高効率水溶液を曳航水槽等の大型水槽施設に満たして実験することは安全性や費用の面から困難である。
また、特許文献１及び特許文献２には、水の屈折率（１．３３３）と屈折率が近く、透明性が高い含フッ素共重合体が開示されているが、模型船などの模型を用いたＬＤＶ又はＰＩＶによる流場計測において、光源からの光の照射時にダクトやプロペラ等の部品が重畳して影となり光が遮られる間の部分の流場を計測する技術については何ら開示されていない。

そこで本発明は、部品が重畳する構成の模型周辺の照射光の届かない場所の流場を、高屈折率水溶液を用いることなく可視化できる流場計測方法及び流場計測システムを提供することを目的とする。

請求項１記載に対応した流場計測方法においては、水中に設けた模型の周辺にトレーサ粒子を含んだ水の流れを形成し、光源から模型の周辺に光を照射し、受光手段でトレーサ粒子の発光、又はトレーサ粒子からの反射光及び/又は散乱光を受光して流場を計測する流場計測方法において、模型を、紫外光及び／又は可視光を透過するとともに紫外光及び／又は可視光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の材料を用いて形成し、かつ光源からの光の照射時に模型の部品が重畳する構成の模型を用い、光源の光として紫外レーザ光又は可視レーザ光を用い、紫外レーザ光又は可視レーザ光をシート状にして、前記照射時に模型の部品の重畳する側方から照射するとともに、受光手段を模型の後方に設けて流場を計測することを特徴とする。
請求項１に記載の本発明によれば、紫外光及び／又は可視光を透過する素材で模型を形成することによって、模型を構成する部品が重畳する間の部分、すなわち部品が照射光を遮る壁となってしまう部分であっても、その部品の奥側の流場計測が可能となる。また、模型の材料の屈折率に合わせて作用流体の屈折率を調整するのではなく、作用流体に水を用いて、その水の屈折率（１．３３３）に合う透明材料で模型を形成するので、水に屈折率調整用の薬品を加えることによる密度・粘性等の変化の問題、屈折率整合に用いられるヨウ化ナトリウム水溶液等が有する毒性の問題、また、屈折率調整を行なった作用流体を曳航水槽等の大型水槽施設に満たして実験することによる安全性やコスト面の問題の解決ができる。なお、フッ素系の材料としては、フッ素系の樹脂やフッ素系のゴム等を用いることができる。また、トレーサ粒子の動きを捉えやすくなり、より精度良く流場計測を行うことができる。

請求項２記載の本発明は、模型の複数の部位に対して光源と受光手段を移動させて流場を計測することを特徴とする。
請求項２に記載の本発明によれば、光源や光学系の再調整を行うことなく、複数の部位周りの流場を計測することができる。

請求項３記載の本発明は、受光手段としてトレーサ粒子からの光を受光する分光カメラを用いることを特徴とする。
請求項３に記載の本発明によれば、撮像対象の分光画像を得ることができる。

請求項４記載の本発明は、流場の計測に当り、多時刻追跡法を用いて真の流れの方向を推定することを特徴とする。
請求項４に記載の本発明によれば、多時刻にわたるトレーサ粒子の軌跡を追跡することによって流場の真の流れ方向を推定することができる。

請求項５記載の本発明は、水と模型の屈折率の差を、水の温度の変更及び／又は水への添加物の添加により調整することを特徴とする。
請求項５に記載の本発明によれば、水と透明模型の屈折率に差がある場合にその差を調整することによって、模型を構成する部品が重畳する間の部分、すなわち部品が照射光を遮る壁となってしまう部分であっても、その部品の奥側の流場計測が精度よく可能となる。

請求項６記載の本発明は、添加物としてショ糖を用いることを特徴とする。
請求項６に記載の本発明によれば、安全性が高く管理や排水処理が容易なショ糖を用いて、水と透明模型の屈折率の差を調整することができる。

請求項７記載の本発明は、模型は、フッ素系の材料を成形したものを更に残留応力を除去する処理をしたものであることを特徴とする。
請求項７に記載の本発明によれば、残留応力を除去することによって残留ひずみにより屈折率に差が生じる影響をなくすことができる。

請求項８記載の本発明は、残留応力を除去する処理は、成形時に模型に振動を与えながら加熱及び冷却を行うことにより除去するものであることを特徴とする。
請求項８に記載の本発明によれば、残留応力を軽減することができる。

請求項９記載に対応した流場計測システムにおいては、水槽と、水槽内に設ける模型と、模型の周辺にトレーサ粒子を含む水の流れを形成する水流形成手段と、模型の周辺に光を照射する光源手段と、トレーサ粒子の発光、又はトレーサ粒子からの反射光及び/又は散乱光を受光する受光手段とを備え、模型が、紫外光及び／又は可視光を透過するとともに紫外光及び／又は可視光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の材料を用いて形成され、かつ光源手段からの光の照射時に模型の部品が重畳する条件に構成され、光源手段の光として紫外レーザ光又は可視レーザ光を用い、紫外レーザ光又は可視レーザ光をシート状にして、前記照射時に模型の部品の重畳する側方から照射するとともに、受光手段を模型の後方に設け照射して流場を計測することを特徴とする。
請求項９に記載の本発明によれば、紫外光及び／又は可視光を透過する素材で模型を形成することによって、模型を構成する部品が重畳する間の部分、すなわち部品が照射光を遮る壁となってしまう部分であっても、その部品の奥側の流場計測が可能となる。また、模型の材料の屈折率に合わせて作用流体の屈折率を調整するのではなく、作用流体に水を用いて、その水の屈折率（１．３３３）に合う透明材料で模型を形成するので、水に屈折率調整用の薬品を加えることによる密度・粘性等の変化の問題、屈折率整合に用いられるヨウ化ナトリウム水溶液等が有する毒性の問題、また、屈折率調整を行なった作用流体を曳航水槽等の大型水槽施設に満たして実験することによる安全性やコスト面の問題が無い。また、トレーサ粒子の動きを捉えやすくなり、より精度良く流場計測を行うことができる。

請求項１０記載の本発明は、模型の複数の部位に対して光源手段と受光手段をセットとして移動させる移動手段を備えたことを特徴とする。
請求項１０に記載の本発明によれば、光源や光学系の再調整を行うことなく、複数の部位周りの流場を計測することができる。

請求項１１記載の本発明は、受光手段としてトレーサ粒子からの光を受光する分光カメラを用いたことを特徴とする。
請求項１１に記載の本発明によれば、撮像対象の分光画像を得ることができる。

請求項１２記載の本発明は、受光手段で得られた受光データを多時刻追跡法を用いて解析する流場解析手段を更に備え、真の流れの方向を推定することを特徴とする。
請求項１２に記載の本発明によれば、多時刻にわたるトレーサ粒子の軌跡を追跡することによって流場の真の流れ方向を推定することができる。

請求項１３記載の本発明は、水槽は、曳航水槽又は回流水槽であることを特徴とする。
請求項１３に記載の本発明によれば、曳航水槽又は回流水槽に模型を設けて流場計測を行うことができる。

本発明の流場計測方法によれば、紫外光及び／又は可視光を透過する素材で模型を形成することによって、模型を構成する部品が重畳する間の部分、すなわち部品が照射光を遮る壁となってしまう部分であっても、その部品の奥側の流場計測が可能となる。また、模型の材料の屈折率に合わせて作用流体の屈折率を調整するのではなく、作用流体に水を用いて、その水の屈折率（１．３３３）に合う透明材料で模型を形成するので、水に屈折率調整用の薬品を加えることによる密度・粘性等の変化の問題、屈折率整合に用いられるヨウ化ナトリウム水溶液等が有する毒性の問題、また、屈折率調整を行なった作用流体を曳航水槽等の大型水槽施設に満たして実験することによる安全性やコスト面の問題の解決ができる。また、トレーサ粒子の動きを捉えやすくなり、より精度良く流場計測を行うことができる。

また、模型の複数の部位に対して光源と受光手段を移動させて流場を計測する場合には、光源や光学系の再調整を行うことなく、複数の部位周りの流場を計測することができる。

また、受光手段としてトレーサ粒子からの光を受光する分光カメラを用いる場合には、撮像対象の分光画像を得ることができる。

また、流場の計測に当り、多時刻追跡法を用いて真の流れの方向を推定する場合には、多時刻にわたるトレーサ粒子の軌跡を追跡することによって流場の真の流れ方向を推定することができる。

また、水と模型の屈折率の差を、水の温度の変更及び／又は水への添加物の添加により調整することによって、模型を構成する部品が重畳する間の部分、すなわち部品が照射光を遮る壁となってしまう部分であっても、その部品の奥側の流場計測が精度よく可能となる。

また、添加物としてショ糖を用いる場合には、安全性が高く管理や排水処理が容易な添加物を用いて、水と透明模型の屈折率の差を調整することができる。

また、模型は、フッ素系の材料を成形したものを更に残留応力を除去する場合には、残留ひずみにより屈折率に差が生じる影響をなくすことができる。

また、残留応力を除去する処理は、成形時に模型に振動を与えながら加熱及び冷却を行うことにより除去するものである場合には、残留応力を軽減することができる。

また、本発明の流場計測システムによれば、紫外光及び／又は可視光を透過する素材で模型を形成することによって、模型を構成する部品が重畳する間の部分、すなわち部品が照射光を遮る壁となってしまう部分であっても、その部品の奥側の流場計測が可能となる。また、模型の材料の屈折率に合わせて作用流体の屈折率を調整するのではなく、作用流体に水を用いて、その水の屈折率（１．３３３）に合う透明材料で模型を形成するので、水に屈折率調整用の薬品を加えることによる密度・粘性等の変化の問題、屈折率整合に用いられるヨウ化ナトリウム水溶液等が有する毒性の問題、また、屈折率調整を行なった作用流体を曳航水槽等の大型水槽施設に満たして実験することによる安全性やコスト面の問題が無い。また、トレーサ粒子の動きを捉えやすくなり、より精度良く流場計測を行うことができる。

また、模型の複数の部位に対して光源手段と受光手段をセットとして移動させる移動手段を備えた場合には、光源や光学系の再調整を行うことなく、複数の部位周りの流場を計測することができる。

また、受光手段としてトレーサ粒子からの光を受光する分光カメラを用いた場合には、撮像対象の分光画像を得ることができる。

また、受光手段で得られた受光データを多時刻追跡法を用いて解析する流場解析手段を更に備え、真の流れの方向を推定する場合には、多時刻にわたるトレーサ粒子の軌跡を追跡することによって流場の真の流れ方向を推定することができる。

また、水槽は、曳航水槽又は回流水槽である場合には、曳航水槽又は回流水槽に模型を設けて流場計測を行うことができる。

本発明の一実施形態による流場計測システムの基本構成を示す概略構成図 同流場計測システムの流場計測範囲の説明図 チューブを通して格子を観察した様子を示す図 本発明の他の実施形態による流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図 従来の流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図 従来の流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図

以下に、本発明の実施形態による流場計測方法及び流場計測システムについて説明する。

図１は本発明の一実施形態による流場計測システムの基本構成を示す概略構成図である。
図１は、水が満たされた水槽１０内に設けた模型船２０を下方から見た図であり、船底２１が見えている。模型船２０の船尾側には、模型プロペラ３１及び模型舵３２が設けられている。また、模型プロペラ３１の前方に近接する位置には、省エネ付加物の一つである模型ダクト３３が取り付けられている。模型プロペラ３１、模型舵３２及び模型ダクト３３（以下これら三つの部品を纏めて「模型部品３０」と称する）は、水中に設けられている。
水槽１０は曳航水槽であり、模型船２０は曳航手段（図示無し）によって水槽内を移動する。

模型部品３０周辺の流場を計測するために、模型部品３０の周辺にトレーサ粒子を含む水の流れを形成する水流形成手段（図示無し）が設けられている。水流を形成する点からは、曳航手段も水流形成手段の一部を構成している。模型船２０の船尾側の一方の側方には、紫外光を照射する光源手段であるレーザ装置４０が配置され、模型船２０の後方にはレーザ装置４０からの照射光を浴びたトレーサ粒子から戻る光を受光する受光手段である複数の分光カメラ５０が配置されている。
レーザ装置４０は、紫外光として紫外レーザ光４１を用い、紫外レーザ光４１はシート状に模型部品３０周辺に照射される。なお、図１においては、模型ダクト３３の断面をとるように模型ダクト３３の側面に向けて紫外レーザ光４１が照射された状態を示している。紫外レーザ光４１をシート状に照射することで、トレーサ粒子の動きを捉えやすくなり、より精度良く流場計測を行うことができる。
また、分光カメラ５０は、可視光用のカメラである。複数の分光カメラ５０を異なる位置に配置することで、三次元的に流場計測を行うことができる。なお、二次元的に流場計測を行う場合には、分光カメラ５０は一台であってもよい。

トレーサ粒子にはローダミンＢ等の蛍光性物質を用いる。レーザ装置４０から照射されたシート状の紫外レーザ光４１により励起されたトレーサ粒子は可視光の蛍光を発光する。このように紫外励起で可視光発光を得ることによって光の波長を異ならせ、トレーサ粒子の追跡を容易としている。なお、紫外レーザ光は連続光でもパルス光でもよい。また、励起用のレーザ光は可視光であってもよく、トレーサ粒子も水用に用いられる各種のトレーサ粒子が利用可能である。
分光カメラ５０はトレーサ粒子の可視光を受光する。分光カメラ５０を用いることによって、撮像対象である流場の分光画像を得ることができる。なお、分光カメラ５０の代わりに一般の撮像手段と光学的フィルタを組み合わせたものを使用してもよい。

レーザ装置（光源手段）４０とカメラ５０（受光手段）とは、互いの位置関係を保ったまま模型部品３０の複数の部位（模型プロペラ３１、模型舵３２及び模型ダクト３３）に対してセットとして移動することができるように、船舶２０の前後方向又は幅方向に移動可能な共通の台に配置されること等によってユニット化されている。レーザ装置（光源手段）４０とカメラ５０（受光手段）に至る光学系とをセットで移動させることによって、光学系の再調整を行うことなく、複数の部位（模型プロペラ３１、模型舵３２及び模型ダクト３３）周りの流場を計測することができる。

レーザ装置４０及び複数の分光カメラ５０は、流場解析手段であるパーソナルコンピュータ６０と接続している。分光カメラ５０で得られた受光データを流場解析手段（パーソナルコンピュータ）６０で解析することによって、省エネ付加物の一つである模型ダクト３３を設けたことによる流れの変化を知ることができる。
流場解析手段６０は、分光カメラ５０で得られた受光データを多時刻追跡法を用いて解析する。すなわち、所定の時間間隔で連続する時刻にわたってトレーサ粒子の位置を追跡する。なお、２時刻だとトレーサ粒子の位置が虚偽である可能性があるので、３時刻又は４時刻にわたってトレーサ粒子の位置を追跡し、トレーサ粒子の虚偽の位置を排除して正しい軌跡を得ることが好ましい。これによって流場の真の流れの方向を推定することができる。なお、流場解析には、異なる時刻における画像を比較する手法（パターンマッチング）や、個々のトレーサ粒子の位置を追跡する手法（トラッキング）を用いることができる。

図２は本実施形態による流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図であり、図５は従来の流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図である。なお、図2（ａ）及び図５（ａ）は模型船を他方の側方から見た図であり、図２（ｂ）及び図５（ｄ）は模型船を後方から見た図である。図２及び図５において、レーザ装置４０は、模型船の船尾側の他方の側方に配置されている。
図５において、模型船３２０の模型プロペラ３３１、模型舵３３２、及び模型ダクト３３３は不透明材料で形成されている。レーザ装置４０は、カメラ５０との位置関係を保ったまま模型船３２０の前後方向に移動し、模型プロペラ３３１、模型舵３３２、及び模型ダクト３３３のそれぞれの断面をとるように紫外レーザ光４１を照射する。例えば、まず模型ダクト３３３に向けて紫外レーザ光４１を照射し、その後に後方に移動して模型プロペラ３３１に向けて紫外レーザ光４１を照射し、さらにその後に後方に移動して模型舵３３２に向けて紫外レーザ光４１を照射する。
しかしながら、レーザ装置４０からの紫外レーザ光４１の照射時に模型プロペラ３３１、及び模型ダクト３３３が重畳する構成のため、紫外レーザ光４１が遮られてしまい、模型プロペラ３３１のプロペラ面、及び模型ダクト３３３の内側の流場を計測することができない。すなわち、模型プロペラ３３１にあっては、レーザ装置４０側から見て模型プロペラ３３１の複数の羽根が重なる状況があり得る構成であり、模型ダクト３３３にあっては、模型ダクト３３３の手前側と奥側、また間に介在するスターンチューブが重なる構成である。模型プロペラ３３１、及び模型ダクト３３３は不透明材料（レーザ光を透過しない材料）で形成されているため、これらの部品が重畳する間の部分の流場は、部品が紫外レーザ光４１を遮る壁となり、その部品の奥側の流場は、例え１８０度反対側から観察を行ったとしても計測することができない。また、表１に示すような一般的な透明材料を用いてこれらの部品を形成した場合は、紫外レーザ光４１は透過するが、部品の屈折率と水の屈折率との差が大きいため、位置に狂いが生じて正確な観察ができない。したがって、模型プロペラ３３１、及び模型ダクト３３３を構成する部品が重畳する間の部分の流場は、部品の屈折率が水の屈折率と異なるため光が直進せず正確な流場計測ができない。
また、模型舵３３２の奥側の流場は、１８０度反対側から観察を行わなければ計測することができない。したがって、レーザ装置４０を模型船３２０の他方の側方に移動させる必要がある。

一方、図２において、レーザ装置４０がカメラ５０との位置関係を保ったまま模型船２０の前後方向に移動し、模型プロペラ３１、模型舵３２、及び模型ダクト３３のそれぞれの断面をとるように紫外レーザ光４１を照射することと、レーザ装置４０からの紫外レーザ光４１の照射時に模型プロペラ３１、及び模型ダクト３３が重畳する構成であるのは模型船３２０と同様であるが、模型プロペラ３１、模型舵３２、及び模型ダクト３３が、紫外光を透過するとともに、紫外光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の樹脂を用いて形成されている点が模型船３２０と異なる。なお、水の屈折率１．３３３と等しい屈折率を有するフッ素系の樹脂を用いることが好ましい。また、場合によっては、屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系のゴムであってもよい。
このように模型部品３０を透明かつ水の屈折率に合致する屈折率を有する材料で形成した場合には、模型部品３０を水中で見えなくすることができるので、レーザ装置４０からの紫外レーザ光４１は水と模型部品３０の境界で屈折することなく直進し、模型部品３０に遮られることなく、狂いを生ずることなく模型部品３０の奥側を可視化することができる。したがって、模型プロペラ３１のプロペラ面、模型舵３２の舵まわり（奥側を含む）、及び模型ダクト３３の内側、すなわち重畳する部品の間の部分の流場を計測することができる。
なお、この図２に示す模型部品３０のうち、レーザ装置４０からの紫外レーザ光４１の照射時に、模型部品３０の部品が重畳する構成とは模型プロペラ３１と模型ダクト３３が相当する。すなわち模型プロペラ３１にあっては、レーザ装置４０側から見て模型プロペラ３１の複数の羽根が重なる状況があり得る構成であり、模型ダクト３３にあっては、模型ダクト３３の手前側と奥側、また間に介在するスターンチューブが重なる構成である。上述のように、従来、これらの模型部品３０を構成する部品が重畳する間の部分の流場は、光が遮られることや屈折率の違いから計測することが困難であった。
また、透明模型の屈折率に合わせてヨウ化ナトリウム水溶液等の作用流体の屈折率を調整するのではなく、作用流体に水を用いてその水の屈折率に合う透明材料を選定するので、水に屈折率調整用の薬品を加えることによる密度・粘性等の変化の問題、屈折率整合に用いられるヨウ化ナトリウム水溶液等が有する毒性の問題、また、屈折率調整を行なった作用流体を曳航水槽等の大型水槽施設に満たして実験することによる安全性やコスト面の問題解決ができる。

模型部品３０の材料となるフッ素系の樹脂としては、例えば表３に記載のものを用いることができる。これらのフッ素系の樹脂は、表１に示す一般的な透明材料より屈折率が非常に低い熱可塑性樹脂又はＵＶ硬化型樹脂である。なお、屈折率は可視光での計測値である。

なお、模型部品３０は、フッ素系の樹脂を成形したものを更に残留応力を除去する処理をしたものであることが好ましい。残留応力を除去することによって残留ひずみにより屈折率に差が生じる影響をなくすことができる。
例えばフッ素系の樹脂による成形時に模型部品３０に振動を与えながら加熱及び冷却を行うことによって、残留応力を除去する処理を行う。ここで成形時とは、樹脂成形機（圧縮成形機又は射出成形機）において樹脂を注入して成形するとき、又は成形品が冷えて常温になるまでの間を含み、切削品においては部品として検査を受けるまでの間を含むものとする。成形時に模型部品３０に振動を与えながら加熱及び冷却を行うことによって、残留応力を軽減することができる。

また、形成した模型部品３０と水槽１０内の水の屈折率に若干の差がある場合は、水の温度の変更及び／又は水への添加物の添加によって調整する。このように温度及び／又は添加物によって水と模型部品３０との屈折率を整合させることで、模型プロペラ３１のプロペラ面、及び模型ダクト３３の内側といった通常見えない部分の流場を計測することができる。
水の屈折率は、水温を上げると低くなり、水温を下げると高くなる。但し、水温の上下による水の屈折率の変化量は小さいので、水温の上下に代えて又はそれと併用して、水に添加物を添加する。水への添加物としてはショ糖を用いることができる。表４は、Ｂｒｉｘ（％）と屈折率（ｎＤ２０℃ Ｄ線＝５８９ｎｍ）の関係を示す図である（出典元：ＩＣＵＭＳＡ（国際砂糖統一分析委員会）。

ここで例として図３に、表３のうちスリーエムジャパン株式会社の商品名ＴＨＶのチューブを通して格子を観察した様子を示す。事前にＴＨＶ２ｍｍ厚の平板の屈折率を計測し、肉厚にしたときの屈折率を調査した。２ｍｍ厚の平板の屈折率はｎＤ＝１．３６２と若干大きくなっていた。作用流体は砂糖水の濃度により屈折率整合の調整を行った。水温は２０℃に調整している。図３（ａ）は砂糖水の濃度（Ｂｒｉｘ）が０％[屈折率ｎＤ＝１．３３３]、図３（ｂ）は砂糖水の濃度（Ｂｒｉｘ）２０％[屈折率ｎＤ＝１．３６４] 、図３（ｃ）は砂糖水の濃度（Ｂｒｉｘ）２４．２％[ｎＤ＝１．３７１]である。図３（ａ）と図３（ｃ）のときは屈折率整合ができていないので格子が歪んで見える。図３（ｂ）のときには歪が完全になくなった。本来砂糖水の濃度（Ｂｒｉｘ）１９％[ｎＤ＝１．３６２] で屈折率が一致するはずであるが、これはショ糖ではなく食用の砂糖を使用したためと思われる。なお、水への添加物として塩を用いることも可能であるが、水槽やその他設備の腐食が懸念されるため、水へ添加しても毒性のないショ糖を用いることが好ましい。

なお、上記実施形態では、光源手段は紫外レーザ光４１を照射するレーザ装置４０とし、トレーサ粒子は蛍光性物質とし、受光手段は紫外レーザ光４１によって励起され可視光発光するトレーサ粒子から戻る光を受光する可視光用の分光カメラ５０とするものとして説明したが、光源手段は同じく紫外レーザ光４１を照射するレーザ装置４０であって、トレーサ粒子は紫外光を反射及び／又は散乱する物質とし、受光手段は紫外レーザ光４１を浴びたトレーサ粒子からの反射光及び／又は散乱光を受光する紫外光用の分光カメラとしてもよい。
また、上記実施形態では、紫外光のほうが可視光よりも水と透明模型との屈折率を整合させやすいので、光源の光として紫外光を用いているが、光源手段は可視レーザ光を照射するレーザ装置とし、トレーサ粒子は蛍光性物質あるいは可視光を反射及び／又は散乱する物質とし、受光手段はトレーサ粒子から戻る光を受光する可視光用の分光カメラ５０とすることもできる。この場合は、模型部品３０は、可視光を透過するとともに、可視光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の樹脂又はゴムを用いて形成する。

また、水槽１０は、曳航水槽でなく、回流水槽であってもよい。回流水槽は、水槽の水に流れがあり模型船２０の位置が固定されるものである。回流水槽は曳航水槽に比べて寸法を小さくしやすいので、水槽１０を回流水槽とした場合には、水への添加物（ショ糖など）の量を少なくすることができる。

また、複数の部位を計測する場合に、レーザ装置４０を動かすのではなく、測定部位ごとに照射するレーザ光の波長、又はトレーサ粒子に懸濁する物質を変え、所定位置のレーザ装置４０から測定対象の複数の部位に向けて複数のレーザ光を同時に照射する方式とすることもできる。

次に図４及び図６を用いて、本発明の他の実施形態による流場計測方法及び流場計測システムを説明する。図４は本実施形態による流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図であり、図６は従来の流場計測システムにおける流場計測範囲の説明図である。また、図４及び図６は模型船を後方から見た図である。なお、上記した実施形態と同一機能部材には同一符号を付して説明を省略する。
図６において、模型船４２０は、船尾に一方の模型スケグ４２１ａと他方の模型スケグ４２１ｂの二つの模型スケグを有し、一方の模型スケグ４２１ａには一方の外側模型ダクト４２２ａｏ及び一方の内側模型ダクト４２２ａｉを備え、他方の模型スケグ４２１ｂには他方の外側模型ダクト４２２ｂｏ及び他方の内側模型ダクト４２２ｂｉを備える。一方の外側模型ダクト４２２ａｏと一方の内側模型ダクト４２２ａｉとは形状が異なり、他方の外側模型ダクト４２２ｂｏと他方の内側模型ダクト４２２ｂｉとは形状が異なる。一方の模型スケグ４２１ａ、他方の模型スケグ４２１ｂ、一方の外側模型ダクト４２２ａｏ、一方の内側模型ダクト４２２ａｉ、他方の外側模型ダクト４２２ｂｏ、及び他方の内側模型ダクト４２２ｂｉは不透明材料で形成されている。なお、レーザ装置４０は、模型船４２０の船尾側の一方の側方に配置している。
レーザ装置４０からの紫外レーザ光４１の照射時に一方の模型スケグ４２１ａ、他方の模型スケグ４２１ｂ、一方の外側模型ダクト４２２ａｏ、一方の内側模型ダクト４２２ａｉ、他方の外側模型ダクト４２２ｂｏ、及び他方の内側模型ダクト４２２ｂｉが重畳する構成のため、この場合は、一方の模型スケグ４２１ａ、他方の模型スケグ４２１ｂ、一方の外側模型ダクト４２２ａｏ、一方の内側模型ダクト４２２ａｉ、他方の外側模型ダクト４２２ｂｏ、及び他方の内側模型ダクト４２２ｂｉの内側の流場を計測することができない。

一方、図４において、模型船１２０は、一方の模型スケグ１２１ａ、他方の模型スケグ１２１ｂ、一方の外側模型ダクト１２２ａｏ、一方の内側模型ダクト１２２ａｉ、他方の外側模型ダクト１２２ｂｏ、及び他方の内側模型ダクト１２２ｂｉを備え、レーザ装置４０を模型船１２０の船尾側の一方の側方に配置しているのは模型船４２０と同様であるが、一方の模型スケグ１２１ａ、一方の外側模型ダクト１２２ａｏ、及び一方の内側模型ダクト１２２ａｉを、紫外光を透過するとともに、紫外光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の樹脂を用いて形成している点が模型船４２０と異なる。
このように一方の模型スケグ１２１ａ、一方の外側模型ダクト１２２ａｏ、及び一方の内側模型ダクト１２２ａｉを透明かつ水の屈折率に合致する屈折率を有する材料で形成することで、レーザ装置４０からの紫外レーザ光４１は、一方の模型スケグ１２１ａ、一方の外側模型ダクト１２２ａｏ、及び一方の内側模型ダクト１２２ａｉに遮られることがない。したがって、一方の模型スケグ１２１ａ、一方の外側模型ダクト１２２ａｏ、及び一方の内側模型ダクト１２２ａｉの内側、すなわち重畳する部品の間の部分の流場を計測することができる。
なお、一方の模型スケグ１２１ａは、フッ素系の樹脂で全体を無垢に形成してもよく、表面のみをフッ素系の樹脂を用いて形成して内部に水を満たしておいてもよい。

なお、図示は省略するが、省エネ付加物の一つとして模型フィンを取り付けた場合も、その模型フィンを紫外光を透過するとともに、紫外光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の樹脂を用いて形成することで、フィン（船体・舵・ボスキャップ）まわりの流場を計測することができる。

本発明の流場計測方法及び流場計測システムは、プロペラ・舵・付加物自体が壁となってしまい可視化をすることが困難な場所、すなわちダクトの内側外側、舵まわり、回転しているプロペラ面内、その他ダクトプロペラのプロペラ面、船体・ボスキャップ・舵に取付けたフィンまわり等について、光源の配置を変えることなく紫外光又は可視光が届くため、ＰＩＶ 又はＬＤＶによる流場計測の可視化範囲を拡大することができる。また、船舶関係のみならず水中で部品が重畳する模型を用いて流場を計測する、多くの用途に適用が可能である。

１０ 水槽
２０ 模型船
３０ 模型部品
３１ 模型プロペラ
３２ 模型舵
３３ 模型ダクト
４０ レーザ装置（光源手段）
４１ 紫外レーザ光
５０ 分光カメラ（受光手段）
６０ パーソナルコンピュータ（流場解析手段）

Claims (13)

1. 水中に設けた模型の周辺にトレーサ粒子を含んだ水の流れを形成し、光源から前記模型の周辺に光を照射し、受光手段で前記トレーサ粒子の発光、又は前記トレーサ粒子からの反射光及び/又は散乱光を受光して流場を計測する流場計測方法において、前記模型を、紫外光及び／又は可視光を透過するとともに前記紫外光及び／又は前記可視光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の材料を用いて形成し、かつ前記光源からの前記光の照射時に前記模型の部品が重畳する構成の前記模型を用い、前記光源の前記光として紫外レーザ光又は可視レーザ光を用い、前記紫外レーザ光又は前記可視レーザ光をシート状にして、前記照射時に前記模型の部品の重畳する側方から照射するとともに、前記受光手段を前記模型の後方に設けて流場を計測することを特徴とする流場計測方法。
2. 前記模型の複数の部位に対して前記光源と前記受光手段を移動させて前記流場を計測することを特徴とする請求項１に記載の流場計測方法。
3. 前記受光手段として前記トレーサ粒子からの光を受光する分光カメラを用いることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の流場計測方法。
4. 前記流場の計測に当り、多時刻追跡法を用いて真の流れの方向を推定することを特徴とする請求項１から請求項３のうちの１項に記載の流場計測方法。
5. 前記水と前記模型の屈折率の差を、前記水の温度の変更及び／又は前記水への添加物の添加により調整することを特徴とする請求項１から請求項４のうちの１項に記載の流場計測方法。
6. 前記添加物としてショ糖を用いることを特徴とする請求項５に記載の流場計測方法。
7. 前記模型は、前記フッ素系の材料を成形したものを更に残留応力を除去する処理をしたものであることを特徴とする請求項１から請求項６のうちの１項に記載の流場計測方法。
8. 前記残留応力を除去する前記処理は、成形時に前記模型に振動を与えながら加熱及び冷却を行うことにより除去するものであることを特徴とする請求項７に記載の流場計測方法。
9. 水槽と、前記水槽内に設ける模型と、前記模型の周辺にトレーサ粒子を含む水の流れを形成する水流形成手段と、前記模型の周辺に光を照射する光源手段と、前記トレーサ粒子の発光、又は前記トレーサ粒子からの反射光及び/又は散乱光を受光する受光手段とを備え、前記模型が、紫外光及び／又は可視光を透過するとともに前記紫外光及び／又は前記可視光に対する屈折率が１．３０から１．４０のフッ素系の材料を用いて形成され、かつ前記光源手段からの前記光の照射時に前記模型の部品が重畳する条件に構成され、前記光源手段の前記光として紫外レーザ光又は可視レーザ光を用い、前記紫外レーザ光又は前記可視レーザ光をシート状にして、前記照射時に前記模型の部品の重畳する側方から照射するとともに、前記受光手段を前記模型の後方に設けて流場を計測することを特徴とする流場計測システム。
10. 前記模型の複数の部位に対して前記光源手段と前記受光手段をセットとして移動させる移動手段を備えたことを特徴とする請求項９に記載の流場計測システム。
11. 前記受光手段として前記トレーサ粒子からの光を受光する分光カメラを用いたことを特徴とする請求項９又は請求項１０に記載の流場計測システム。
12. 前記受光手段で得られた受光データを多時刻追跡法を用いて解析する流場解析手段を更に備え、真の流れの方向を推定することを特徴とする請求項９から請求項１１のうちの１項に記載の流場計測システム。
13. 前記水槽は、曳航水槽又は回流水槽であることを特徴とする請求項９から請求項１２のうちの１項に記載の流場計測システム。