JPH0750120B2 - 流れの回転運動検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 I.発明の目的 （産業上の利用分野） 本発明は、流れの挙動を三次元解析するための手法の一
つであって、流体の流れ方向に沿った断面と直交する方
向（以下本明細書においては三次元方向という）の回転
運動を検出する方法に関する。

（従来の技術） 流れの挙動を観測する手段としては流れを可視化するこ
とが最も一般的である。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
いったものを、主に対象とする定性的な観測にとどまる
ものが多かったが、最近では、いまだ充分な確度は期待
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。例えば断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ってきた。

（発明が解決しようとする問題点） しかし、従来の可視化方法によって流れの挙動を解析す
る場合、一般には写真などに記録されたトレーサの流跡
などに基づいて行なわれるため、偏平的な流れ即ち二次
元流における挙動を把握できるに止まり、旋回を伴う立
体的な流れ即ち三次元流のメカニズムを定量的に評価で
きるまでには至っていない。特に、流体の三次元方向の
回転運動を可視化したり、定量的に解析可能とすること
は未だ実現されていない。

本発明は、流れの三次元解析を実現するため、流体の三
次元方向の回転運動を検出する方法を提供することを目
的とする。

II.発明の構成 （問題点を解決するための手段） 斯かる目的を達成するため、本発明の流れの回転運動検
出方法は、微細固体粒子あるいは微細気泡ほぼ球状の散
乱媒体を散乱光の集まりを形成できる程度に均一な濃度
で密に分散させた流体で流れ場を形成し、これに実質的
なスリット光を照射し前記散乱媒体で入射光を散乱させ
て任意断面における流れを定量的に可視光し該可視面の
濃度変動を散乱光の強度変動として検出する一方、微細
な偏平散乱媒体を錯乱光の集まりを形成できる程度に均
一な濃度で密に分散させた流体で、前記流れ場を再現
し、これに実質的なスリット光を照射して前記偏平散乱
媒体で入射光を散乱させ前記任意断面と同一流れ面にお
ける散乱光の強度変動を検出し、これら両可視面におけ
る散乱光の強度の差から任意断面における流れの回転運
動を検出するようにしたものである。

（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。

まず、本発明に係る流れの回転運動検出方法の可視化原
理を第１図に示す可視化装置に基づいて説明する。この
可視化装置は、可視化しようとする流れ場を再現するモ
デル水槽（以下水槽と略称する）１と、この水槽１に微
粒子或いは微細気泡から成るほぼ球状の散乱媒体４を均
一な濃度で分散させた流体（以下単にトレーサ流体とも
称する）を例えば底面から供給して水槽１内に流れ場を
形成させる流体供給ユニット２及び水槽１内の流れ場に
実質的なスリット光５を照射するスリット光源３とから
主に構成されている。この可視化装置において、水槽１
の底面から流入した散乱媒体を含む流体は、水槽１内に
おいて流れ場を再現したのち水槽１の上方の排出口６か
ら図示しない排出管を通じて排出される。散乱媒体を含
む流体は、通常そのままの状態であるいは必要な処理を
施した後排出されるが、流体供給ユニット２へ循環させ
て再度使用することも可能である。

前記水槽１は、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って横断面方形の角筒形に形成
されており、上方に排出口６を、底面に噴射口７を有す
る。この水槽１は、ノズルやバーナ等の水流モデルの場
合には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。したがって、水槽１の形状は図示さ
れているものに限られず、円筒やエルボ管形等の必要に
応じた種々の形状を採り得る。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。もっとも、モデルを噴射口７から離して
水槽１内に設置し、噴射口７においては何ら流れに変化
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からは散乱媒体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散乱媒体が
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、本実施例の水槽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10が観測窓に相当し、スリット光源３に
対向する面11が入射光窓に相当する。この観察窓10と入
射光窓11は、スリット光５の入射方向と90〜145度の確
度θ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、水槽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
とにより代えることができる。

前述の水槽１に散乱媒体を含む流体を供給する供給ユニ
ット２は、流体供給源（図示省略）と水槽１とを結ぶ管
路12の途中に散乱媒体注入部13を設け、圧送途中の流体
に散乱媒体４を定量的に強制注入することによって一定
濃度の散乱媒体を含む流体として供給するものである。
勿論供給ユニット２は前述のものに限定されない。例え
ば、あらかじめ低濃度に調整された散乱媒体を含む流体
をタンクに貯留し、これを定量ポンプで取り出し水槽１
に圧送するようにしても良い。

散乱媒体４は、前述の如く微粒子或いは微細気泡から成
り、流体中で漂い容易に沈降しないものを言う。そして
この散乱媒体４を均一な濃度で分散させた流体である散
乱媒体を含む流体は流れ場を形成する液体（分散媒）と
散乱媒体（分散相）とから成り、流れ場の形成に影響を
およばさない範囲において可能な限り散乱媒体４が密に
存在する濃度に保たれている。即ち、散乱光の集まりを
形成できる程度に均一な濃度で密に分散されている。
尚、流体としては水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
液体を採用することもある。

散乱媒体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等の所謂ファインセラミック
スの球状物（固相）又は微細気泡（気相）等や、極めて
微細な乳脂肪球を含む牛乳等（液相）の採用が好適であ
る。殊に、牛乳は、容易に入手できかつ安価で取扱いが
容易であると共に高輝度の散乱光が得られることから最
も好ましい。中でも加工乳は、一般に乳脂肪球が直径２
μｍ以下（１μｍ未満41.8％、１〜２μm47.7％）に調
整されているため、液体中においてコロイドを形成する
に好適である。

尚、ファインセラミックスの微粒子を採用する場合、牛
乳と違って流れの中に直接注ぎ込むだけでは直ちにコロ
イド状態を形成できない。そこで、ファインセラミック
スをあらかじめ少量の水に浸した高濃縮コロイド溶液と
も言うべきものを用意する。この高濃縮コロイド溶液
は、例えば、一定比率の水とファインセラミックスの微
粒子とを減圧下のタンク内において撹拌混合し、微粒子
表面に付着している気泡を完全に脱泡させることによっ
て作られる。この高濃縮コロイド溶液は、定量スラリポ
ンプを使って流体供給ユニット２に定量的に供給され、
流体供給源から供給される水と混合されて一定濃度のコ
ロイド状の散乱媒体を含む流体を形成する。

一方、気泡に関しては0.06〜0.2mmの範囲の微細気泡、
更に好ましくは0.1〜0.2mmの微細気泡を均一濃度で液体
に分散させ得れば使用可能である。この微細な気泡は、
流体供給ユニット２の管路12の途中に直径3mm以下、好
ましくは0.8〜0.5mmの小孔を少なくとも１つ穿孔したオ
リフィス（図示省略）を設定することにより、0.2mm以
下の気泡が70％程度を占める平均0.1mmの微細気泡が局
所的減圧によって脱気され、連続的に大量に安定供給で
きる。

また、散乱媒体としては前述のものの他、偏平トレーサ
14も必要となる。これには通常層流の流れの可視化に使
用される微細なアルミニウム粉が好適である。該アルミ
ニウム粉14は、第５図に示すように大面積部14aと小面
積部14bを有する板状を成し、側縁の小面積部14bで光が
反射する場合と表裏面の大面積部14aで光が反射する場
合とで散乱光の強度が大きく変化する。尚、本明細書に
おいて偏平トレーサとは面積の異なる平面を少なくとも
２面有する薄くて横に広い非球形物をいい、図示された
方形の板状物に限定されるものではない。尚、この偏平
散乱媒体14は前述のファインセラミックスの微粒子の場
合と同様にあらかじめ少量の水に浸した高濃度コロイド
溶液状にしておくことが好ましい。

水槽１内の流れ場は実質的なスリット光５に代表される
局所的な照射によって、流れの任意の位置を一平面で断
面して可視孔し得るように設けられている。スリット光
５は公知のスリット光源３によつてあるいは二次元光学
系を使用して広げることによって簡単に得られる。ま
た、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、実質的なスリット光として得るこ
とも可能である。

更に該スリッ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って、三次元可視化を実施す
る場合もある。スリット光５は通常水槽１に対して直角
に入射させ、屈折を防止している。尚、本明細書におい
て、スリット光５とは、上述のレーザービームに衣る実
質的なスリッ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って流れを可視
化するには、まず、水槽１に向けて均質な散乱媒体４を
密に含む散乱媒体を含む流体を必要なだけ安定供給し槽
底の噴射口７から吹き出させて水槽１内に流れ場を作り
出す。散乱媒体を含む流体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
いは流体供給ユニット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、この流れ場にスリット光
５を照射して散乱媒体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
ット光５が入射した方向から90〜145度の範囲で最も良
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
測できなかった従来の可視化方法と異なり、一断面にお
ける散乱媒体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
でかつ均質な散乱媒体４によって拡散する光の強度は単
位体積中の散乱媒体の個数即ち散乱媒体密度に比例する
ことから、散乱媒体４の粗密に伴う散乱光の強弱によっ
て流れ場の濃度分布及びその変動をも同時に可視化する
ことができる。

この流れ場の散乱光の強度及びその変動には液体の濃度
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、この散乱光に基づいて各種定量的測定を行うことが
できる。例えば第４図に示すように、スリット光５が散
乱媒体４の散在によって乱反射することによって可視化
された任意のセクションにおける流れ場をITVカメラ20
で撮影し、これを更に必要に応じてズームアップしてモ
ニターテレビ21のブラウン管に映し出し、ブラウン管上
に設置したフォトセンサ22によって光の強弱（散乱媒体
４の乱反射に起因する散乱光の集まりから成る光の明
暗）即ち濃度の粗密を電気的信号に変化してから、これ
をフィルタ23に通して画面スキャン信号を除去した後に
トランジェントレコーダ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によって、
各種定量的測定が可能とする。尚、この測定に際して
は、測定領域中もっとも暗い部分でも微小出力例えば3m
V程度を示すように、またもっ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う必要が
ある。また、測定位置の変更は、ブラウン管上のフォト
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IVTカメラ20を微動させることにより行う。

ここで、濃度は、散乱光の明るさ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
流体において散乱媒体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散乱媒体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
測定箇所の散乱光の明るさから得られる測定電圧を除去
することにより求められる。

また、前述の水槽１に、例えば第５図に示すような偏平
な散乱媒体14を均一な濃度で密に分散させた散乱媒体を
含む流体を用いて流れ場を再現する。しかして、この流
れ場にスリット光５を照射し、これを偏平散乱媒体14で
乱反射させることによって前述の可視断面の同じ断面位
置の流れ場を可視化する。この可視断面は、前述の球状
散乱媒体４を用いた場合と同様にITVカメラ20を使って
撮影され、モニターテレビ21に映し出される。そして、
更に同様の画像処理が施されて任意の点における散乱光
の強度及びその変動がリアルタイムで測定ないし記録さ
れる。この散乱光によって形成される画像には、偏平散
乱媒体14の集合離散によって現わされる濃度場と偏平散
乱媒体14の三次元方向への回転運動によって現わされる
回転場に関する定量的情報が含まれている。即ち、流れ
場に三次元方向の回転運動が生じなければ偏平散乱媒体
14で散乱する散乱光はほぼ一定で濃度場に依存した揺ら
ぎを呈する程度であるが、三次元方向の渦が生ずれば偏
平散乱媒体14が回転するため反射面積の相違に基づく散
乱光の強弱が生じ、散乱光の強度に変動を来たす。この
散乱光の変動は、三次元方向の渦・乱れが大きいほど激
しくなる。そこで、この偏平散乱媒体14を使用した場合
の散乱光の強度及び変動から球状散乱媒体４を使用した
場合の同一条件における散乱光の強度及び変動を除け
ば、回転運動に関する定量的情報即ち回転運動の分布、
大きさ、激しさ等が検出できる。しかも、それは局所的
な流れ場の回転運動として検出できる。

ここで、偏平散乱媒体14によって構成される流れ場の散
乱光の強度及び変動から濃度場の影響を除いたものは回
転運動そのものを表わすことから、散乱光の変化の激し
さは回転連動の激しさを示し、かつその変化領域の大き
さは運転連動の大きさそのものを示す。更に、この測定
を二点において行ない、それらの間に起こる散乱光の変
化に相関関係を求めれば、回転運動の方向及び全体にお
ける動向を判読することができる。

尚、上述の実施例においては、球状散乱媒体４を使った
散乱媒体を含む流体と偏平散乱媒体14を使った散乱媒体
を含む流体とを使って一つの水槽で同一流れ場を順次再
現するようにしているが、いずれの散乱媒体を含む流体
を使って先に流れ実験を実施しても良いし、また同一条
件のモデル水槽が二つあれば同時に並行して流れ場を形
成し、これらを画像処理して比較演算し回転場をリアル
タイムで求めることも可能である。また、本実施例にお
いては、画像上で測定箇所を確認する便宜のため散乱光
の測定をディスプレイ・ブラウン管とフォトトランジス
タ（光電素子）を使用して行なっているが、ディスプレ
イへの出力を省いて画像信号そのものを処理して上述の
散乱光の変動を検出するようにしても良い。

III.発明の効果 以上の説明から明らかなように、本発明の流れの回転運
動検出方法は、微細固体粒子あるいは微細気泡から成る
ほぼ球状の散乱媒体を散乱光の集まりを形成できる程度
に均一な濃度で密に分散させた流体で流れ場を形成し、
これに実質的なスリット光を照射し前記散乱媒体で入射
光を散乱させて任意断面における流れを定量的に可視化
し該可視面の濃度変動を散乱光の強度変動として検出す
る一方、微細な偏平散乱媒体を散乱光の集まりを形成で
きる程度に均一な濃度で密に分散させた流体で前記流れ
場を再現し、これに実質的なスリット光を照射して前記
偏平散乱媒体で入射光を散乱させ前記任意断面と同一流
れ面における散乱光の強度変動を検出し、これら両可視
面における散乱光の強度の差から任意断面における流れ
の回転場のみを検出するようにしたので、従来では不可
能だった流れの挙動の三次元解析を非接触下に実現でき
る。しかも、本発明は散乱光の変動によって回転運動を
知ることができるので、従来においては全く不可能であ
った局所的な渦を解明できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の流れの回転運動検出方法における可視
化原理説明図、第２図は同可視化原理をモデル水槽の上
から見て示す横断平面図、第３図は可視化された流れ場
を示す原理説明図、第４図は本発明の流れの回転運動検
出方法を実施する装置の一例を示すブロック図、第５図
（Ａ）、（Ｂ）は同回転運動検出に利用した偏平散乱媒
体での散乱状態を説明する斜視図である。 １……水槽、４……微細散乱媒体、５……スリット光、 14……偏平散乱媒体、20……ITVカメラ、21……モニタ
テレビ、 22……フォトトランジスタ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】微細固体粒子あるいは微細気泡から成るほ
   ぼ球状の散乱媒体を散乱光の集まりを形成できる程度に
   均一な濃度で密に分散させた流体で流れ場を形成し、こ
   れに実質的なスリット光を照射し前記散乱媒体で入射光
   を散乱させて任意断面における流れを定量的に可視化し
   該可視面の濃度変動を散乱光の強度変動として検出する
   一方、微細な偏平散乱媒体を散乱光の集まりを形成でき
   る程度に均一な濃度で密に分散させた流体で前記流れ場
   を再現し、これに実質的なスリット光を照射して前記偏
   平散乱媒体で入射光を散乱させ前記任意断面と同一流れ
   面における散乱光の強度変動を検出し、これら両可視面
   における散乱光の強度の差から任意断面における流れの
   回転運動を検出することを特徴とする流れの回転運動検
   出方法。