JPH0338536B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は、気流の流れの可視化を図る方法に関
する。

（従来の技術） 従来、流れの可視化は、水流についておこなわ
れることが多く、それは主として流れの相似性を
保つのに空気流の約1/15の低速でよく、また物体
に働く流体力も空気流れに較べ、約800倍と大き
いためであつた。しかるに、最近は、空気機械内
の流れを直接観察する要求が高まり、また、その
圧縮性が無視できないような高速気流や圧縮容器
内の流れなどを取扱う必要がふえてきたので、ガ
ス流の可視化も積極的に進められている。

例えば、流れの中に煙やシヤボン玉等の異物
（トレーサ）を混入し、その動きによつて流れを
可視化するトレーサ法や、流動する流体中におけ
る屈折、干渉、複屈折、放電発光、海面における
反射などの光学現象を利用する光学的方法による
可視化法がある。

（発明が解決しようとする課題） しかし、トレーサ法は、トレーサ自体の追跡に
よつて流れを可視化するため、多くの場合定性的
観測に止まるものでもあつた。また、光学的可視
化方法の場合、高度の光学理論や高価な光学装置
を必要とするばかりか、これだけでは鮮明な写真
を得ることができず、細心の注意と技量、忍耐に
よつて光学系を完全に調整することが要求される
等、煩しいものである。しかも、この光学的可視
方法の場合、流れ場における流体の全体の密度変
化あるいは液面の凹凸などを光学的に観察するも
のであつて、局部的あるいは任意断面における濃
度場及び濃度変動を測定したりするには不向きで
ある。

斯様に、従来のトレーサ法にあつては、異物た
るトレーサの動きによつてのみ流れを可視化する
ため、複雑な流れや任意断面における流れの可視
化を実現することができず、定性的ないし半定量
的情報を提供するにしか過ぎない。

本発明は、上述のトレーサ法を改善し、定性的
な情報は勿論のこと、濃度場や速度場等の定量的
情報をも検出し得る気体の流れの可視化方法を提
供することを目的とする。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 斯かる目的を達成するため、本発明は、コロイ
ド粒子を含み均一な濃度の気体コロイドで透明な
モデル槽内に流れ場を形成し、これに局所的に光
を照射し、前記コロイド粒子で入射光を散乱させ
て任意断面における流れを可視化する一方、光の
強さを検出する光検出手段によつて前記散乱光の
強さを定量的に測定することを特徴とする流れの
可視化方法である。

（作 用） モデル槽内にはコロイド粒子を含み均一な濃度
の気体コロイドで流れ場が形成されており、この
流れ場に光を局所的に照射すると入射光が前記コ
ロイド粒子で散乱するため、散乱光の強弱によつ
て任意断面における流れ状態を目視観察できる。

更に、光の強さを検出する光検出手段によつて
前記散乱光の強さを定量的に測定することによ
り、流れの外から非接触下に濃度場、速度場及び
それらの変動等を定量的に測定できる。

（実施例） 以下本発明の構成を図面に示す一実施例に基づ
いて詳細に説明する。

第１図に本発明の流れの可視化方法を実施する
可視化装置の一例を概略図で示す。該可視化装置
は、可視化しようとする流れ場を再現するモデル
槽１と、このモデル槽１にコロイド粒子４を混入
させた気体即ち気体コロイドを例えば底面から供
給する流体供給ユニツト２及びモデル槽１内の流
れ場に局所的な光５を照射するスリツト光源３と
から主に構成されている。この可視化装置おい
て、モデル槽１の底面から流入した気体コロイド
は、モデル槽１内において流れ場を再現したのち
モデル槽１の上方の排気口６から図示しない排気
管を通じて排気される。気体コロイドは、通常そ
のままの状態であるいは必要な処理を施した後排
気される。尚、気体コロイドをモデル槽１の上方
から導入し底面から排気することも、また側面か
ら導入することも可能である。

前記モデル槽１は、本実施例の場合、第２図に
示すように、アクリル樹脂やガラス等の透光性材
料によつて所定形状に形成され、その上方に排気
口６を底面に噴射口７を有する。このモデル槽１
は、ノズルやバーナ等をモデルとする場合には、
有限の流れ場を形成するための容器に過ぎない
が、管内の流体の流れを可視化する場合等にはそ
れ自体がモデルとして使用される。また、無限空
間における流れ場を再現する場合には、モデル槽
１にかえて実験室全体を流れ場とし、静止空間を
得る。モデル槽底面の噴射口７には観察しようと
する流れ場を再現するモデルが一般に取付けられ
る。もつとも、モデルを噴射口７から離してモデ
ル槽１内に設置し、噴射口７においては何ら気体
コロイドの流れに変化を与えない場合もある。本
実施例の場合、バーナノズルモデル８とバーナタ
イルモデル９とが設置され、燃料と空気の混合状
態、その割合などを測定するため、バーナノズル
モデル８からはコロイド粒子４を含む流体（燃料
に相当する）を噴射させると共にその周囲からは
コロイド粒子が混入されていない流体（二次空気
に相当する）を噴射させてバーナタイルモデル９
内で両者を混合させるように設けられている。
尚、本実施例のモデル槽１は周壁全面を透光性材
料で形成していることから、観察者ないし観察機
器に対向する面が観察窓１０に相当し、スリツト
光源３に対向する面が入射光窓１１に相当する。
しかし、モデル槽１は全周壁面を透光性材料で形
成する必要はなく、少なくとも観察窓１０と入射
光窓１１が透明であれば足りる。この観察窓１０
と入射光窓１１は、スリツト光５の入射方向と90
〜145度の角度の位置で最適の乱反射が得られる
ことからその範囲に位置させておけば良く、モデ
ル槽１を円筒型に形成する場合には周壁の90〜
145度の範囲を透孔材料で形成することにより変
えることができる。更に、流れ場の状態を流れ方
向と直交する面即ち輪切りにして観察する場合に
は、流れ場を横切るスリツト光５に対して90〜
145度の範囲とはモデル槽１の天井・上方となる。
したがつて、この場合にはモデル槽１の上方に観
察者ないし観察機器を配置する。

前述のモデル槽１に気体コロイドを供給する気
体コロイド供給ユニツト２は、気体供給源（図示
省略）とモデル槽１とを結ぶ管路１２の途中にコ
ロイド粒子注入部１３を設け、圧送途中の気体に
コロイド粒子４を定量的に強制注入することによ
つて一定濃度の気体コロイドとして供給するもの
である。勿論供給ユニツト２は前述のものに限定
されない。例えば、あらかじめ可視化に最適な濃
度に調整された気体コロイドをタンクに貯留し、
これを定量ポンプで取り出しモデル槽１に圧送す
るようにしても良い。

気体コロイドは、流れ場を形成する気体（分散
媒）とトレーサとして機能するコロイド粒子（分
散相）４とから成り、流れ場の形成に影響をおよ
ぼさない範囲において可能な限りコロイド粒子４
が密に存在する濃度に保たれている。気体として
は空気を採用するものが最も一般的であるが、こ
れに限定されるものではなく、必要に応じて他の
気体を採用することもある。また、コロイド粒子
４としては、直径1μｍ程度の微粒子が容易に入
手できるMgO、SiO、Al₂O₃等の所謂フアインセ
ラミツクスの球状物が好適である。このフアイン
セラミツクスから成る微粒子は取扱易く一定濃度
の気体コロイドが得易いからである。勿論、霧や
煙から成る気体コロイドも充分均一化すれば使用
できる。

この気体コロイドは、コロイド粒子４を定量噴
射装置を使つて流体供給ユニツト２に定量的に供
給し、流体供給源から供給される空気と混合して
一定濃度に形成されるか、或いはあらかじめ空気
とコロイド粒子４を混合撹拌して一定濃度としモ
デル槽１に供給される。

モデル槽１内の流れ場は、スリツト光５に代表
される局所的な照明によつて、流れの任意の位置
を一平面で断面して可視化し得るように設けられ
ている。スリツト光５は公知のスリツト光源３に
よつてあるいはレーザビームを二次元光学系を使
用して広げることによつて若しくはレーザービー
ムをそのままの状態で高速にオシレートさせるこ
とにより、実質的なスリツト光として得ることも
可能である。

更に該スリツト光を異なる位置において連続的
に順次瞬間的に発光させることによつて、三次元
可視化を実施する場合もある。尚、本明細書にお
いて、スリツト光５とは、上述のレーザービーム
に依る実質的なスリツト光を含めたものとする。

以上のように構成された可視化装置を使つて本
発明の気体の流れの可視化方法をバーナモデルを
例にあげて説明する。

まず、モデル槽１あるいは無限空間に向けて均
質なコロイド粒子４を密に含む気体即ち気体コロ
イドを必要なだけ安定供給し槽底の噴射口７から
吹き出させてモデル槽１内に流れ場を作り出す。
気体コロイドは流れ場を形成しかつ可視化に好適
な濃度にあらかじめ全量調整されたものか、ある
いは流体供給ユニツト２において圧送中に混合調
整されたものが使用される。次いで、この流れ場
にスリツト光５を照射してコロイド粒子４に乱反
射させることにより任意断面における流れを抽出
して可視化する。散乱光はスリツト光５が入射し
た方向から90〜145゜の範囲で最も良好に検出でき
るので、その範囲において観察ないし測定する。
この散乱光による可視化は、流れ場の外輪しか観
察できなかつた従来の可視化方法と異なり、一断
面におけるコロイド粒子４の動きを追跡するた
め、流れの現象、流れ方向等を正確に知ることが
できる。しかも、十分微細でかつ均質なコロイド
粒子４によつて拡散する光の強度は単位体積中の
コロイド粒子個数即ちコロイド密度に比例すると
考えられ、それは拡散光の明るさの強度が濃度の
レベルに比例することを意味することから、コロ
イド粒子４の粗密に伴う散乱光の強弱によつて流
れの濃度及びその変動をも同時に目視観察でき
る。

また、散乱光の強度及びその変動には気体の濃
度及びその変動等の各種定量的情報を含んでいる
ことから、この散乱光をITVカメラを使つて検
出することによつて各種定量的測定に利用するこ
とも可能である。例えば、スリツト光５がコロイ
ド粒子４の存在によつて乱反射することによつて
可視化された任意のセクシヨンにおける流れ場を
TVカメラ２０で撮影し、これを更に必要に応じ
てズームアツプしてモニターテレビ２１のブラウ
ン管に移し出し、ブラウン管上に設置したフオト
センサ２２（光検出手段に相当する）によつて光
の強弱即ち濃度の粗密を電気的信号に変換してか
ら、これをフイルタ２３に通して画面スキヤン信
号を除去した後にトランジエントレコーダ２４か
らオシロスコープ２５又はXYレコーダ２６へ出
力し、測定ないし記録することができる（第４図
参照）。尚、この測定に際しては、測定領域中も
つとも暗い部分でも微小出力例えば３ｍＶ程度を
示すように、またもつとも明るい部分が測定レン
ジの最大値近くなるようにモニタの調整を行なう
必要がある。また、測定位置の変更は、ブラウン
管上のフオトセンサ２２を移動させるか、あるい
はトラバース（図示省略）にてカメラ２０を微動
させることにより行なう。

ここで、濃度は、散乱光の明るさの強度と濃度
のレベルとが比例関係にあるという知見、即ち混
合状態にある二流体においてコロイド粒子４を含
まない流体の割合が高くなるにつれて単位体積中
のコロイド粒子量が減少し明るさを失うという知
見に基づき、バーナモデル８の出口の明るさを電
気的に変換して得られる電圧を基準電圧とし（濃
度100％に相当）、この基準電圧で二流体が混合し
ている測定個所の散乱光の明るさから得られる測
定電圧を除することにより求められる。

更に、コンピユータを利用してあらかじめ定め
られた測定個所における濃度を測定することによ
り、ある燃焼モデルに従えばこれから求められる
燃料と空気の混合割合から燃焼温度やCO量、O₂
量等の分布状態をシユミレートすることもでき
る。

また、一つのコロイド粒子４を特定してそのコ
ロイド粒子４が所定距離Ｌを移動する時間を測定
することは事実上不可能であるが、一定濃度のコ
ロイド粒子郡が移動する時間は接近する二点のフ
オトセンサにおいて測定する濃度変化の時間的ず
れとして把握することができるとの知見に基づ
き、第５図に示すように前述の濃度測定装置のブ
ラウン管上に更にもう一つのフオトセンサ２７を
設け、近接する二つのフオトセンサ２２，２７間
を移動するコロイド粒子４郡の移動時間を検出す
ることにより速度を求めることができる。尚、第
５図において、符号２８はコンピユータ、２９は
デイスプレイ、３０はプリンタである。

［発明の効果］ 以上の説明から明らかなように、本発明の流れ
の可視化方法は、コロイド粒子を含み均一な濃度
の気体コロイドで透明なモデル槽内に流れ場を形
成し、これに局所的に光を照射し、前記コロイド
粒子で入射光を散乱させて任意断面における流れ
を可視化するようにしたので、或る断面における
流れの状態や流れの方向といつた定性的な観察は
勿論のこと、散乱光の強弱から流れ全域における
濃度分布及び変動が一口で観察できる。

また、本発明は、気体中に密に存在するコロイ
ド粒子によつて生ずる散乱光の強さを、光の強さ
を検出する光検出手段によつて定量的に測定し、
流れを可視化するようにしたので、流れ場内のコ
ロイド粒子の分散・集合・移動の状態即ち気体の
濃度、速度及びそれらの変動が散乱光の強度及び
変動として定量的に把握できる。しかも、散乱光
の強度は、単位体積中のコロイド粒子数に比例す
ると考えられ、それは散乱光の明るさの強度が濃
度のレベルに比例することを意味する。したがつ
て、流れの外から光学系を用いて散乱光の強さ及
び変動を検出すれば、非接触下に濃度場、速度場
及びそれらの変動等を定量的に測定できるという
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流れの可視化方法を実施する
可視化装置の概略図、第２図はモデル槽の横断平
面図、第３図は可視化された流れ場を示す説明
図、第４図は本発明流れの可視化方法を利用した
濃度測定装置の概略図、第５図は同可視化方法を
利用した速度測定装置の概略図である。 １……モデル槽、４……コロイド粒子、５……
局所的な照明光、２０……TVカメラ、２１……
モニターテレビ、２２……フオトセンサ（光検出
手段）。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ コロイド粒子を含み均一な濃度の気体コロイ
   ドで透明なモデル槽内に流れ場を形成し、これに
   局所的に光を照射し、前記コロイド粒子で入射光
   を散乱させて任意断面における流れを可視化する
   一方、光の強さを検出する光検出手段によつて前
   記散乱光の強さを定量的に測定することを特徴と
   する流れの可視化方法。