JPH042938A - 画像処理による流れの可視化方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は画像処理による流れの可視化方法に関し、より
詳細には、流れの可視化法により定量的に流れ場の物理
量を求めることを可能にした画像処理による流れの可視
化方法に関するものである。

〔従来の技術〕

流れ場の可視化手法により流れを把握する試みは古くか
らあり、壁面トレース法、タフト法、直接注入法等がよ
く知られている。

壁面ｌ−レース法は、物体表面に油等を塗布し、流れに
よって現れる筋模様から流れの状態、方向、速度等を求
めるものである。

タフト法は、多数の糸を物体表面に張り、そのなびき具
合から流れを測定するものである。

直接注入法は、流れ内に染料を入れ、その染料の流跡を
可視化するものである。

ｒ発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記壁面トレース法では物体の表面から
離れた空間での流れの測定は困難であり、またタフト法
では任意の断面での測定が困難であるという問題があっ
た。更に、上記直接注入法では、染料の流跡上での速度
は把握できるが、流れ領域全体を一度に可視化すること
はできないという問題があった。

近年、流れ領域全体を一度に可視化し、流速、流れ関数
等の物理量を算出することや、流れ領域全体の物理量の
時間的変化を算出することに関する関心は著しく強い。

流れ領域内の任意の断面を可視化することや、例えば水
だけの速度ではなく、水中の気泡の速度等の可視化に関
しての関心も著しく強く、この可視化を可能にする試み
として、論文「日本機械学会論文集（８編）」第５５巻
、５０９号（１９８９−１）１．１０７〜１１４頁に記
載されるような方法が提案されている。この方法は、流
れ場にトレーサ粒子を混入し、このトレーサ粒子に連続
光又はストロボ光を当てて、その流跡を画像処理するも
のである。画像処理は、例えばテレビジョンカメラから
画像を入力し、そのフレーム情報をフィールド情報に変
換し、連続する４時刻分のフィールド情報を夫々画像処
理して個々の粒子の軌跡を追跡する。そして、個々のト
レーサ粒子の軌跡から流れ場を可視化して、各種物理量
を求めるものである。

本発明は、従来の可視化方法である壁面Ｉ・レース法、
タフト法、直接注入法等の欠点である流れ領域内の任意
の断面を一度に可視化することが不可能であるという問
題、及び、可視化情報から流速、流れ関数等の流体の物
理量を定量的に求めることが不可能であるという問題を
解決することを目的とするものであり、上記論文の方法
を改良し、流れ場を簡単に可視化して、定量的に流れ場
の物理量を求めることを可能にした画像処理による流れ
の可視化方法を提案することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するだめの本発明は、流体中に粒子径２
ｎ＋＋ｎ以下１０μｍ以上の粒子を混入し、この流体中
にレーザ光を光シート状に２次元的に広げて連続的に照
射し、上記粒子の散乱光又は蛍光をカメラを介して記録
媒体に録画し、この記録媒体に録画された画像情報から
上記粒子の速度に応じた時間間隔で３時刻乃至６時刻分
のフィールド情報を取り出し、これらのフィールド情報
を夫々画像処理することによって流れ領域を一度に可視
化し、上記流体の速度や流れ関数等の物理量を測定する
ことを特徴とする画像処理による流れの可視化方法であ
る。

また、本発明の好ましい態様においては、気体と液体で
構成される気液２相流中の気体と液体の速度若しくは固
体と液体で構成される固液２相流中の固体と液体の速度
を、上記画像処理における２値化レベルを変えること、
及び、液体の速度を示す上記混入粒子の大きさと気泡若
しくは上記固体の大きさとを上記画像処理において互い
に区別することの少なくとも一方によって区別すること
により、上記２相流体の物理量を同時に定量的に測定す
る。

〔作用〕

まず、流れ領域内の任意の断面が可視化可能であるよう
に、流れ領域内に、例えば厚み３胴以下の光シート状の
アルゴンレーザを連続的に照射する。

次に、液体又は気体等の単相流の測定においζは、流体
中に粒子径２ｍｍ以下１０μｍ以上の粒子を入れ、その
粒子に照射された光シート状のアルゴンレーザの散乱光
或いは蛍光をカメラから記録媒体に一度録画する。

また、固液２相流中の固体及び液体若しくは気液２相流
中の気体及び液体の同時測定を行う場合には、レーザ光
の散乱強度を、固液２相流では液体の流速を示す混入粒
子と固体とで、また気液２相流では液体の流速を示す混
入粒子と気泡とで異なるように予め調整し、画像処理時
の２値化レベルを変えることにより固体と液体若しくは
気体と液体の流れを区別する。或いは、画像処理時に液
体の流速を示す混入粒子の面積と固体若しくは気泡の面
積とが変わるように混入粒子を予め調整することで固体
と液体若しくは気体と液体の流れを区別する。

次に、録画された流れの情報を、例えば１／３０秒のフ
レーム情報から１／６０秒のフィールド情報に分け、３
個乃至６個の情報を、例えばコンピュータに接続された
フレームメモリに適当な時間間隔で記録する。この３個
乃至６個の各時刻における情報は各時刻毎に画像処理し
、粒子の重心を算出する。そして、算出された重心から
粒子の流跡を前記論文の方法と同様の方法で対応づけ、
流れ領域内の速度と流れの方向を算出する。

また、流れ領域内の時間的変化を算出するためには、異
なった時刻から適当な間隔で３個乃至６個の情報を取り
出し、上記の方法で処理する。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本発明の方法を実施するための装置構成の一例
を示す図であり、第２図は画像処理装置の構成例を示す
ブロック図である。

第１図に示すように、本発明の方法を実施するための装
置は、アルゴンレーザ１、光ファイバー２、ピンホール
３、光学レンズ４、肉厚１０ｍｍのアクリル製容器５、
ＣＣＤカメラ８、録画再生装置９　（１２）、録画再生
装置９（１２）に接続されたモニター１０（ＩＩＬ　フ
レーム／フィールド変換装置Ｉ３、計算機１５、及び、
計算機１５に接続されたフレームメモリ１４、モニター
１６及び外部記憶装置１７から構成されている。

この装置において、アルゴンレーザ１から照射されたレ
ーザ光は一度光フアイバー２に入射し、この光ファイバ
ー２の先端に取り付けられた光学レンズ４にて厚み２ｎ
＋ｍ以下のレーザシートを作り、アクリル製容器５内の
流体に照射される。本発明の実施例で用いた流体は水で
ある。

この場合、アルゴンレーザ１からのレーザ光を光ファイ
バー２に入射するにあたっては、光ファイパ−２のコア
径が大きいほど光ファイバー内テの光の損失が少ないが
、コア径を大きくしすぎると、形成されるアルゴンレー
ザシートの厚みが厚くなりので、光ファイバー２と光学
レンズ４との間にピンホール３等を設けてアルゴンレー
ザシートを薄くするのが好ましい。

本発明の実施例では、光ファイバー２のコア径を１００
μｍとして光フアイバー内での光の損失を少なくし、先
端の光学レンズ４と光ファイバー２との間に、光ファイ
バー２の先端から３０ｍｍの位置に内径１胴のピンホー
ル３を設けてレーザシート厚みを調整した。

実施炎上（水の流れの可視化） 第１図に示すアクリル製容器５には水が満たされており
、このアクリル製容器５の上面は大気解放になっている
。このアクリル製容器５には配管６から連続的に水が供
給されており、配管７から連続的に排水されている。

このアクリル製容器５内の水の流れ場を可視化するため
に、水の流れに追従する粒子をアクリル製容器５の上面
から連続的に入れ、容器５内の可視化したい断面に光学
レンズ４からアルゴンレーザを光シート状に連続的に照
射した。そして、レーザシート面ＩＡと直交する方向に
ＣＣＤカメラ８をおき、上記粒子がレーザシート面ＩＡ
を通過する時に散乱若しくは蛍光した光をそのシート面
と直交する方向からＣＣＤカメラ８にて撮影し、録画装
置９に連続的に録画することでシート面内の映像を録画
した。なお、録画時には、録画再生装置９に接続したモ
ニター１０で録画状態を確認した。

混入粒子としては、アクリル製球形粒子やこの粒子の表
面をメチレンブルー等の染料で表面改質して散乱若しく
は蛍光強度を強くしたものを用いるのが望ましい。本例
では、表面改質をしない粒子径３０μｍ、密度１ｋｇ／
ｃＴＩｔの粒子を用いた。

次に、録画した情報を録画再生装置１２で再生し、１／
３０秒単位のフレーム情報から１／６０秒単位のフィー
ルド情報にフレーム／フィールド変換装置１３で分け、
計算機１５に接続したフレ−ムメモリ１４に記録した。

再生時には、録画再生装置１２に接続したモニター１１
で再生状態を確認した。

本例では、録画再生装置にＮＴＳＣ方式のものを用いた
ため、水平方向走査線４８０本のうち、フレーム情報か
らフィールド情報に分けたため、２４０本のみが有効で
あった。

また、本例では、速度の遅い領域においては、１／６０
秒単位のフィールド情報を３／３０秒間隔で３時刻分を
計算機１５のフレームメモリ１４に記録し、速度の速い
ところでは、１／６０秒単位のフィールド情報を１／３
０秒間隔で６時刻分可視化し、夫々側々のフレームメモ
リ領域に記録した。

計算機１５に接続されたフレームメモリ１４に記録され
た各時刻の情報は、速度の速いところと遅いところとを
別々に、画像処理を用いて粒子の重心を算出した。ここ
で用いた画像処理は、ノイズ処理、２値化及び粒子の重
心の算出である。

算出された重心は、速度の速いところと遅いところとが
別々に、−時的に計算機１５の外部記憶装置１６に記憶
され、前記論文に記載された方法と同様の方法で、３時
刻乃至６時刻分の情報により、粒子の軌跡が速度の速い
ところと遅いところで別々に対応づけられ、測定領域内
の任意の場所での速度が算出された。

本例では、速度の遅いところの各時刻の画像処理された
流体の重心値は各時刻において約３５０個で、前記論文
に示される方法を３時刻に拡張して、流れを対応づけす
ると、２７０個の対応づけが可能であった。また、速度
の速いところでは、画像処理された粒子の重心は各時刻
において約２２０個であり、前記論文に示される方法を
６時刻に拡張して、流れを対応づけすると、１２０個の
対応づけが可能であった。

この測定領域内の任意の場所での速度は、測定領域内に
互いに交差する任意の間隔の線を引き、線の交差点上に
任意の場所での速度から計算機で補間される。補間方法
としては、補間する交差点の周りに３点の測定データを
捜し、３点のデータと交差点の距離を用いた面積関数で
処理した。

本例では、測定領域内を横方向に３５分割し、縦方向に
３５分割した。

第３図は、横方向３５、縦方向３５に分割された交差点
での速度分布を示したもので、矢印は方向を、その長さ
は距離を夫々示したものである。

第４図は、第３図の速度分布から求められた、流れの別
の物理量である流れ関数を示したものである。

実施例２（水＋固体の測定） 第１図に示すアクリル製容器５に接続された配管６から
水と固体が供給されており、配管７から排水されている
。

水と固体で形成される固液２相流中の水及び固体の速度
を夫々測定するために、水の流れに追従する粒子として
実施例１で示す粒子径３０μｍ、密度１ｋｇ／ｃ＋ｆｌ
の粒子をアクリル製容器５の上面から入れ、一方、固体
粒子として表面改質をし且つ粒子径２００μｍ、密度５
ｋｇ／ｃｆｆｌの粒子を配管６から供給した。

固体流れを表す粒子のアクリル製容器５内での重量比は
１／１５０（固体重量／水重量）であった。

計算機１５１こ接続されたフレームメモリ１４への記録
までの処理は実施例１と全く同じであった。

フレームメモリ１４の録画情報は、散乱光の面積と散乱
強度で、水の挙動を表す粒子と固体を表す粒子とを分離
した。本例では、水の挙動を表す粒子の散乱面積及び散
乱強度は固体のそれらとは大幅に異なり、明らかに分離
することができた。

分離された情報は、固体及び液体の夫々に対して別々に
、実施例１で示した処理と同様な処理を行い、流速を求
めた。

第５図及び第６図は、本例で水と同時に求められた固体
の速度及び流れ関数を示したものである。

なお、水の速度及び流れ関数は実施例１と同しであった
。

〔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
方法では、レーザ光を光シート状に広げているため、レ
ーザ光の照射場所を変えることで測定領域内の任意の断
面の測定が可能である。また、測定領域内を一度に可視
化することができる。

更に、任意の間隔の情報を処理することで、低い流速に
関しても測定が可能である。

更に、粒子の大きさや種類を適当に調整すること若しく
は画像処理での粒子の散乱或いは蛍光強度を変えること
で、液体と固体で形成される固液２相流中の液体と固体
又は液体と気体で形成される気液２相流中の気体と液体
の速度を同時に測定することができる。

【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ための装
置の構成例を示す概略斜視図、第２図は画像処理装置の
構成例を示すブロック回路図、第３図は本発明の方法に
より求められた水の速度分布図、第４図は第３図の水の
流れ関数図、第゛５図は本発明の方法により求められた
固液２相流中の固体の速度分布図、第６図は第５図の固
体の流れ関数図である。 なお、図面に用いた符号において、 ■　・・・・・・・・・　アルゴンレーザ２　・・・・
・・・・・　光ファイバー４　・・・・・・・・・　光
学レンズ ５　・・・・・・・・・　アクリル製容器８　・・・・
・・・・・　ＣＣＤカメラ９．１２　・・・　録画再生
装置 １０．１１　・・・　モニター １３　・・・・・・　フレーム／フィールド変換装’ｌ
１１４　・・・・・・　フレームメモリ １５　・・・・・・　計算機 １６　・・・・・・　モニター １７　・・・・・・　外部記憶装置 である。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）流体中に粒子径２ｍｍ以下１０μｍ以上の粒子を
   混入し、この流体中にレーザ光を光シート状に２次元的
   に広げて連続的に照射し、上記粒子の散乱光又は蛍光を
   カメラを介して記録媒体に録画し、この記録媒体に録画
   された画像情報から上記粒子の速度に応じた時間間隔で
   ３時刻乃至６時刻分のフィールド情報を取り出し、これ
   らのフィールド情報を夫々画像処理することによって流
   れ領域を一度に可視化し、上記流体の速度や流れ関数等
   の物理量を測定することを特徴とする画像処理による流
   れの可視化方法。
2. （２）気体と液体で構成される気液２相流中の気体と液
   体の速度若しくは固体と液体で構成される固液２相流中
   の固体と液体の速度を、上記画像処理における２値化レ
   ベルを変えること、及び、液体の速度を示す上記混入粒
   子の大きさと気泡若しくは上記固体の大きさとを上記画
   像処理において互いに区別することの少なくとも一方に
   よって区別することにより、上記２相流体の物理量を同
   時に定量的に測定することを特徴とする請求項１記載の
   画像処理による流れの可視化方法。