JPH0378923B2

JPH0378923B2 -

Info

Publication number: JPH0378923B2
Application number: JP59098550A
Authority: JP
Inventors: Toshiaki Hasegawa; Yasuo Hirose; Hiroshi Ishikawa; Toshio Abe; Noboru Hisamatsu
Original assignee: Denryoku Chuo Kenkyusho
Current assignee: Denryoku Chuo Kenkyusho
Priority date: 1984-05-18
Filing date: 1984-05-18
Publication date: 1991-12-17
Also published as: JPS60243570A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景（産業上の利用分野）本発明は、流体の流れの挙動を観測するための
手法の一つであつて、流れの挙動に関する定性
的、定量的情報を不可視状態にて検出する方法に
関する。

流れの挙動を観測する手段として、流れの可視
化は、流れを乱すことなく流れの全領域における
挙動を直接目視若しくは撮影などによつて容易に
観察できることから、極めて有効な手法の一つと
して従来から多く使用されている。この流れの可
視化は、元来流れの剥離、渦の発生などを含む流
れの状態や流れの方向といつたものを、おもな対
象とする定性的な観察にとどまるものが多かつた
が、最近では、いまだ十分な確度を期待できない
にしても、一応定量的な計測が可能となりつつあ
る。たとえば継続光を用いて得られるトレーサの
流跡から、またはトレーサの発生を電気的に制御
できる電気制御法などによるタイムラインから任
意の流れ場の流速分布を容易に求めることができ
るようになつてきた。

しかしながら、流れの可視化によつて行なう定
量的測定は、写真などによつて可視化されたトレ
ーサの流跡などに基づいて行なわれるため、平面
的な流れ即ち二次元流における挙動を把えること
しかできず、立体的な流れ即ち三次元流のメカニ
ズムを定量的に評価することはできない。

他方、本発明者等は、流れ方向に沿つて流れを
断面する平行な二平面上における流れの挙動に関
する情報を同時に得ることによつて流れの挙動を
三次元的に解析することを考えたが、従来の可視
化法では重なつた二平面を同時に可視化したとし
ても互いに干渉し合つて流れを観測することがで
きないため、容易には実現できないものであつ
た。そこで、本発明者等は、可視化法と併用して
流れの挙動に関する情報を同時に検出し得る不可
視情報の検出法を開発して流れの三次元解析を可
能にしようとしとものである。同時に、この不可
視状態による流れの挙動に関する情報の検出は、
流れの更に高度な解析、例えば二流体の混合過程
の解析や三流体の混合状態の解析などのため、従
来から望まれていた二種類のトレーサの使用を可
能とするものであり、その実現が望まれる。

発明の目的本発明は、上述の要望に応えるものであつて、
流れの任意断面における挙動に関する定性的、定
量的情報を非接触で検出する方法を提供すること
を目的とする。

発明の構成（発明の概要）斯かる目的を達成するため、本発明の流れ場の
不可視情報の検出方法は、均一な濃度でコロイド
粒子を含む気体コロイドで流れ場を形成する一
方、これに局所的に熱線をパルス状に照射して前
記コロイド粒子を継続的に加熱し、該コロイド粒
子から放射される熱エネルギの分布及び変動を流
れの外の赤外線センサによつて検出することによ
り、任意断面における流れの挙動に関する定性
的、定量的情報を観測するようにしたものであ
る。

（発明の具体的説明）以下、本発明の構成を図面に示し一実施例に基
づいて詳細に説明する。

第１図に本発明の流れ場の不可視情報の検出方
法を実施する実験装置の一例を概略図で示す。該
実験装置は、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
的な熱線５をパルス状に照射するスリツト熱線源
３とから主に構成されている。この装置におい
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、気体コロイドのモデル槽１内への
導入位置および方向は一切制限を受けない。

前記モデル槽１は、本実施例の場合、第２図に
示すように、赤外線を良く通す赤外光学材料例え
ばガラス特に好ましくはシリカガラス、鉛−バリ
ウム−酸化ゲルマニウム系ガラス、硫化物ガラ
ス、セレン化物ガラスなどの赤外線透過ガラスに
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に代
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、燃料と空間の混合状態、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を含る流体（燃料に相当
する）を噴射させると共にその周囲からコロイド
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は周壁全面を赤外線透過材料で形
成していることから、観察機器に対向する面が観
察窓１０に相当し、スリツト熱線源３に対向する
面が入射窓１１に相当する。しかし、モデル槽１
は全周壁面を赤外線透過材料で形成する必要はな
く、少なくとも観察窓１０と入射窓１１が赤外透
過性を有すれば足りる。

前述のモデル槽１あるいは無限空間に設置され
たモデル８，９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、あらかじめ最適な濃度に均一に
調整された気体コロイドをタンクに貯留し、これ
を定量送風機でモデル槽１に圧送するようにして
もよい。

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
が密にかつ均一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、Al₂、O₃等の所謂
フアインセラミツク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を得易いからである。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
一定濃度を形成されるか、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、
流れ場に供給される。

モデル槽１内あるいは無限空間に形成される流
れ場は、熱線源３から断続的に照射される局所的
なパルス状の熱線５によつて、流れの任意の位置
における断面たる一平面内に存在するコロイド粒
子４が瞬時に継続加熱されるように設けられてい
る。これは、物体が輻射する熱放射エネルギを検
出し、その温度差や温度分布を測定しようとする
場合、絶対零度以上の温度にある全ての物体はそ
の表面から温度に応じた熱放射エネルギを放出し
ているのでそのままの状態でも熱放射エネルギの
検出は可能であるが、非接触下において測定する
場合には測定温度が相対値でしか求められないた
め、物体間に明瞭な温度差が表われない限り微妙
な温度変化や温度分布状態を検出することが困難
だからである。熱線源３としては、瞬時にコロイ
ド粒子を加熱することができる高出力の熱線を容
易に得られもの例えばレーザが好適である。レー
ザ３の選定にあたつては、トレーサたるコロイド
粒子４の材質即ち該粒子４が良く吸収する波長帯
域を考慮しなければならない。尚、本明細書にお
いて、熱線とは、可視域から赤外域における電磁
波を意味し、赤外線だけでなく可視光の一部を含
めたもの、即ち照射によつてコロイド粒子４を瞬
時に加熱し得る全ての電磁波を意味するものとす
る。因に、可視域から赤外域にかけて分布する電
磁波（光）を用いる場合、１つのトレーサによつ
て、流れの挙動に関する定性的、定量的情報が可
視領域と赤外領域の双方において同時に検出し得
る。

また、流れ場を局所的にかつ継続的に照射する
パルス状の熱線、所謂スリツト熱線５は、レーザ
ビームを二次元光学系を使用して膜状に広げるこ
とによつて得られるか、あるいはレーザビームを
そのままの状態で高速にオシレートさせることに
よつて得られる、実質的に平面光線を構成する全
てのものを含む。このスリツト熱線は、コロイド
粒子４の加熱時間を均一に保つため、加熱時間を
一定にすべて継続的にパルス波として照射され
る。

更に該スリツト熱線を異なる位置において連続
的に順次瞬間的に放射させることによつて、三次
元加熱を実施する場合もある。

流れ場と外において、赤外線加熱によつてコロ
イド粒子４から放出される熱放射エネルギを検出
するセンサ２０としては、例えば、赤外線センサ
が最も効果的かつ実用的である。即ち、物体が輻
射する熱放射エネルギを検出してその温度差や温
度分布を測定する場合、熱放射エネルギを検出す
る波長は原理的に紫外光でも、可視光でも、また
赤外光でもかまわないが、非常に高温の太陽光な
どは別として、普通の測定対象温度では熱放射エ
ネルギのピークが赤外光領域に有るからである。
そこで、本実施例にあつては、焦電効果型赤外線
ヒジコンを使つた工業用赤外線TVカメラ２０を
採用し、流れの挙動に関する定性的、定量的情報
を不可視状態のまま検出し得るようにしている。
焦電効果型赤外線ビジコンは、−30〜＋330℃とい
う比較的低い温度を対象とし、２〜15μｍの波長
領域における赤外線を室温で検出するに感度及び
価格の面で最適であることから、近年主流となつ
てきている非接触温度センサである。勿論、赤外
線センサとしては、焦電効果素子に限らず、その
他の熱型素子あるいは光量子型素子を用いた赤外
線TVカメラやサーモグラフイ等の他の視覚化
手段ないし測定手段を適宜選定する。

上記赤外線センサ２０によつて検出された熱放
射エネルギは画像信号あるいはデシタル電気信号
として出力され、可視化あるいは測定ないし記録
される。例えば、上述の赤外線TVカメラ２０
からのテレビ信号は、市販されている普通のモニ
タ・テレビに直接表示することができる。即ち、
モニタテレビに熱画像として表示できる。このと
きの輝度の階調は、白（高温）から黒（低温）ま
での範囲で熱放射エネルギの強度に対応してい
る。また、このTV輝度信号は、コンピユータ処
理あるいはRGB信号の処理によつて輝度に対応
する明度と色合いのカラー表示に変換することも
可能である。

以上のように構成された実験装置を使つて気体
の流れの挙動に関する情報を不可視状態で検出す
る本発明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内あるいは無限空間に
流れ場を作り出す。気体コロイドは流れ場を形成
しかつ濃度分布を表現する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熱線
５をパルス状に継続的に照射して、任意断面にお
ける平面的な流れの中に存在するコロイド粒子４
を瞬時に加熱する。この熱線・赤外線５によるコ
ロイド粒子４の加熱は、ばらつきなく均一に行な
うことが肝要であるため、300〜400℃の比較的低
温に制定することが好ましい。而して、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の動きを熱
放射エネルギの検出によつて追跡可能とするた
め、流れの現象、流れ方向等を正確に知ることが
できる。即ち、スリツト熱線によつて加熱された
コロイド粒子４から放射される熱エネルギ・赤外
線を赤外線TVカメラ２０で検出し、モニタテ
レビ２１を使つて画像化すれば、ある断面におけ
る流れが熱画像として可視化できる。しかも、十
分微細でかつ均質なコロイド粒子４から放射され
る熱放射エネルギの強度は同一であつても単位体
積当りの熱エネルギは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、それは熱放射エ
ネルギの強度が濃度に対応することを意味するこ
とから、コロイド粒子４の粗密に伴う熱放射エネ
ルギの強弱即ち熱画像によつて流れの濃度及びそ
の変動を可視化できる。尚、このテレビ信号を白
黒信号からカラー信号に変換して、カラー表示す
る場合、熱エネルギの分布状態即ち濃度分布状態
が色によつて区分けされるため、濃度の可視化が
一層容易となる。

また、熱、放射エネルギ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、赤外線TVカメラ２０を
使つて検出された不可視情報を利用することによ
つて各種定量的測定を実現可能にする。例えば、
スリツト熱線５が照射された任意のセクシヨンに
おける流れ場を赤外線TVカメラ２０で撮影し、
これをモニタ−テレビ２１に表示すれば、熱エネ
ルギに対応した明るさ（高温は白く、低温は黒
い）の熱画像が得られる。そこで、この熱画像の
光の強弱をブラウン管上に設置したフオトセンサ
２２によつて電気的信号に変換して検出し、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）。
勿論、モニタテレビ２１を介さずに高速Ａ−Ｄ変
換し、任意の測定点ないし全てのデジタル信号を
コンピユータへ一旦記憶させてから処理するよう
にても良い。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、コロイド粒子４から放射され
る熱エネルギの変動量と濃度変動量とが相似関係
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
少し単位体積当りの濃度が低くなりテレビ画面上
での明るさを失うという現象に基づき、測定され
る。しかし、非接触下に温度を測定する場合、温
度は絶対値が検出されるのではなく相対値で求め
られることから、比較する基準が必要となる。そ
こで、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
る測定個所の熱放射エネルギの強度に比例するモ
ニタテレビ２１の画像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してこの値
をある燃焼モデルに従つて処理すれば、燃焼と空
気の混合割合即ち流れの濃度から燃料温度や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
するちことは事実上不可能であるが、一定濃度の
コロイド粒子群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群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
イスプレス、３０はプリンタである。

更に、この赤外線による流れの挙動に関する情
報の検出と同時に、赤外加熱面３１と近接させて
平行な面をスリツト光を以て可視化し、その面３
２における流れの挙動に関する情報を可視情報で
検出することによつて、三次元的な流れの挙動を
解析することが可能となる（第７図参照）。

即ち、上述のスリツト熱線５と平行でかつ近接
した状態で照射されるスリツト光５′によつて可
視化された流れ場３２からも、単位体積当りのコ
ロイド粒子４の数に比例した強度の散乱光が得ら
れる。この散乱光は単位体積当りのコロイド粒子
数即ち濃度に比例する。そして、これをTVカ
メラで撮影した場合、モニタテレビ２１′にその
まま輝度の変動として表示される。そこで、その
モニタテレビ２１′上における画像の明るさの変
動を熱画像の場合と同じプロセスによつて処理す
ることにより、その流れ場内における二次元的な
濃度、速度及びそれらの変動を求めることができ
る。

他方、微細かつ均質なコロイド粒子４が密に含
まれた流体が作り出す流れ場において、一定濃度
のコロイド粒子群が移動する現象は一つの測定点
において濃度変化として表われる。そして、この
コロイド粒子群の移動現象は、極めて近い他の点
においても極めれ類似する波形の濃度変化として
表われる（第６図参照）。このことから、コロイ
ド粒子群の近接する二点間における移動時間Δt
は、両点における濃度変化の時間的ずれとして把
握できる。したがつて、近接する平行な二平面３
１，３２内の流れ場において、極めて類似する波
形の濃度変化が認められる場合、これらの間にお
ける濃度変化の時間的ずれから三次元方向の流れ
の速度測定ができる。

そこで、第５図に示すように、上述の各モニタ
テレビ２１，２１′ブラウン管上のほぼ同一ある
いは三次元流動を想定した場合に相関関係が求め
られると思われる位置にフオトセンサ２２，２
７′を設置し、各点における濃度変動を測定する。
そして、コンピユータ２８において、夫々の測定
点で起こる濃度変化の時間的ずれ・最大遅れ時間
△ｔが相互相関関数法を用いて算出される。前述
したように、接近した二つの測定点P₁，P₂にお
いては第６図に示すように類似の濃度変化が起こ
る。そこで、各測定点における濃度変化を統計的
に処理して特徴的なピークを各々求め、このピー
クを基準にして最大遅れ時間△ｔを求める。最大
遅れ時間即ちコロイド粒子群のフオトセンサ２
７，２７′間移動時間△ｔが求められれば、フオ
トセンサ２２，２７′間の距離△Ｌがあらかじめ
定められていることから、ｖ＝△Ｌ／△ｔより流
速は簡単に求められる。

発明の効果以上の説明から明らかなよいに、本発明の流れ
場の不可視情報の検出方法は、均一な濃度でコロ
イド粒子が含まれた気体コロイドによつて流れ場
を形成する一方、これに局所的に熱線をパルス状
に照射して前記コロイド粒子を継続的に加熱し、
該コロイド粒子から放射されら熱エネルギの分布
及び変動を流れの赤外線センサによつて検出し、
任意断面における流れの挙動に関する定性的、定
量的情報を観測するようにしているので、熱画像
化した場合、或る場合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、熱エ
ネルギの強弱から流れ全域における濃度分布及び
変動が一目で観察できる。

また、本発明は気体中に密に存在するコロイド
粒子を赤外加熱することによつて生じる熱放射エ
ネルギで流れの挙動に関する情報を検出している
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
が熱放射エネルギの強度及び変動として把握でき
る。しかも、熱放射エネルギ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
熱放射エネルギの強度が濃度に対応することを意
味する。したがつて、流れの外から赤外線センサ
を用いて熱放射エネルギ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。

また、本発明方法は、赤外領域における測定で
あるため、可視領域において実施されていた従来
の流れの可視化による定性的、定量的観測と同時
に実施できる。したがつて、二つのトレーサを使
用して二流体の混合過程を解析したり、重なつた
二平面における流れの挙動特に濃度変動を同時に
測定して三次元方向の流速を求める等の流れの三
次元解析を可能とし、従来では不可能だつた高度
な流れの解析を実現可能とする。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流れ場の不可視情報の検出方
法を実施する実験装置の概略図、第２図はモニタ
テレビに可視化された流れ場の熱画像を示す説明
図、第３図は本発明方法によつて検出された流れ
の挙動に関する可視情報を利用した濃度測定装置
の概略図、第４図は同じく速度測定装置の概略
図、第５図は流れの三次元方向の速度測定装置の
概略図、第６図は赤外加熱面と可視面との２点間
における濃度変動の時間的ずれを示すグラフ、第
７図は流れの三次元方向の速度測定方法の説明図
である。４……コロイド粒子、５……局所的な熱線、２
０……赤外線センサ・赤外線TVカメラ。

Claims

【特許請求の範囲】１均一な濃度でコロイド粒子を含む気体コロイ
ドで流れ場を形成する一方、これに局所的に熱線
をパルス状に照射して前記コロイド粒子を継続的
に加熱し、該コロイド粒子から放射される熱エネ
ルギの分布及び変動を流れの外の赤外線センサに
よつて検出し、任意断面における流れの挙動に関
する定性的、定量的情報を観測することを特徴と
する流れ場の不可視情報の検出方法。２前記流れ場は、均一な濃度でコロイド粒子を
含む気体コロイドと、コロイド粒子を全く含まな
い気体との混合拡散によつて形成されることを特
徴とする特許請求の範囲第１項に記載の流れ場の
不可視情報の検出方法。