JPS60243570A - 流れ場の不可視情報の検出方法 - 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】 ■１発明の背明 （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
つであって、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。

化は、流れを乱すことなく流れの全領域における挙動を
直接目視若しくは屍影などによっ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、元来流れの剥舶、
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、おもな対象と覆る定性的なりＡ察にとどまるもの
が多かったが、最近では、いまだ十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
。たと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
を容易にめることができるようになってきた。

しかしながら、流れの可視化によって行なう定量的測定
は、写真などによっ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石的に評価することはでき
ない−他方、本発明者等は、流れ方向に沿って流れを断
面する平行な二手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っ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った二平
面を同時に可視化したとしても互いに干渉し合って流れ
を観測するこができないため、容易には実現できないも
のであった。

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たもので
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ｈ＜望まれる。

■２発明の目的 本発明は、上述の要望に応えるものであって、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。

町０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断続的に加熱
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って検出すること
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。

（発明の詳細な説明） 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１−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ット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ッ
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（ま、
モデル槽１内において流れ場を再現したのちモア’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内への導入位置及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飼料例えばガラス特に好
ましくはシリカカラス、釧）−バリウム−酸化ゲルマニ
ウム系ガラス、硫化物カラス。

セレン化物ガラスなどの赤外ｗＡ透過ガラスによって所
定形状に形成され、その上方に排気口６を底面に噴射ロ
アを有する。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りるための容
器に過ぎないが、性向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
槽底面の噴射ロア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
射ロアから離してモデル槽１内に設置し、噴射ロアにお
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、パーナノスルモデル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、パーナノスルモデル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
０４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（二次空気に相当覆る）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（プ
られでいる。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
づ−る而が観察窓１０に相当し、スリット熱線源３に対
向する面が入射窓１１に相当覆る。しかし、モデル槽１
は仝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
ット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
ことによって一定濃度の気体コロイドとして供給するも
のである。

勿論供給ユニット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９度に均一に調整された気体
コロイドをタンクに貯留し、これを宙吊送風機でモデル
槽１に圧送覆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［１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粉子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・で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ＭＵ
　Ｏ，Ｓｉ　Ｏ，Ａ／！２０３等の所謂ファインセラミ
ックスの球状物が好適である。このファインセラミック
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
も充分均一化ザれば使用できる。

この気体コロイドは、コロイド粒子４を定量噴ＯＡ装置
を使って流体供給ユニット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を混合攪
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によって、流れの任意の位置にＪｕｌノるＷ１面た
る一平面内に存在するコロイド粒子４が瞬時に断続加熱
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］−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
を検出することが回動だからである。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るもの例えばレーザが好適である。

レーザ３の選定にあたっては、トレーサーたるコロイド
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１（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、即ら照射によ
ってコロイド粒子４を瞬時に加熱し得る全ての電磁波を
意味する一ｂのどする。囚に、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
によって、流れの挙動に関する定性的、窯口的情報が可
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断続的に照射するパルス状
の熱線、所謂スリット熱線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って得られるか
、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って得られる、実質的に平面光線
を構成する全てのものを含む。このスリット熱線は、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
一定に覆へく断続的にパルス波として照射される。

更に該スリッ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って、三次元加熱を実Ｍ−
１６場合もある。

ｍ　ｈ　ｉＪ２　ノ外において、赤外線加熱によってコ
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２ｏとしては、例えば、赤外線センサか最も効果
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、本実施例にあっては、焦電効果型赤外線ビジコ
ンを使った工業用赤外線ＴＶカメラ２０を採用し、流れ
の挙動に関する定性的、定石的情報を不可視状態のまｊ
、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、２〜１５Ｉ１ｍの波長
領域にお（プる赤外線を室温で検出するに感麿及び価格
の面で最適であることから、近年主流となってきている
非接触温度センサである。勿論、赤外線レンサとしては
、焦電効果索子に限らず、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ＩＴＶカメラやり一−モグラ
フィ等の他の視覚化手段ないし測定手段を適宜選定する
。

上記赤外線センナ２０によって検出された熱放射エネル
ギは画像信号あるいはデジ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ＩＴＶカメラ２０力日らのテレビ信号は、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、白く高温〉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ＴＶＩ！ｉｆｆ度信号は、コンピュータ処理
あるいはＲＧＢ信号の処理によっ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Ｊ、うに構成された実験装置を使って気体の流れ
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【プて均質イ≧
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、槽底の噴射ロアがら吹き出させてモ
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熱線５
をパルス状に断続的に照射して、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、３
００〜４００℃の比較的低温に設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った従来の可
視化方法と異なり、−断面におけるコロイド粒？４の動
きを熱放射■ネルギの検出によって追跡可能とするため
、流れの坦象、流れ方向等を正確に知ることができる。

即ち、スリット熱線によっ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ＩＴＶカメ
ラ２０で検出し、モニタテレビ２１を使って画像化すれ
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っても単位体
積当りの熱エネルギはコロイド粒子個数即ち＝１０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
よって流れのａ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ｉａ度分
布状態が色によって区分（プされるため、濃度の可視化
が一層容易となる。

また、熱蔵０１］ネルギの強度及びその変動に（ユ気体
のｆａ度及びその変動等の各種定量的情報を含／υでい
ることから、赤外線ＩＴＶカメラ２０を使って検出され
た不可視情報を利用することによって各種定量的測定を
実現可能にする。例えば、スリット熱線５が照射された
任意のセクションにおける流れ場を赤外線ＴＶカメラ２
０で＠影し、これをモニターテレビ２１に表示すれば、
熱エネルギに対応した明るさく高温は白く、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ォトセンサ２２によって電
気的信号に変換して検出し、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１−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
ユータヘ一旦記憶させてから処理するようにしても良い
。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３ＩＩｌｖ程度を示ずように、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、］コロイド粒子から放射される熱エネ
ルギの変動量と′ａ度変動量とが相似関係にあるという
知見、即ら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［［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
圧を基準電圧としく′ａ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飼エネルギ
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められる。

更に、コンピュータを利用して、あらかじめ定められた
測定個所にお（プる濃度を測定してこの値をある燃焼し
デルに従って処理すれば、燃焼と空気の混合割合即ち流
れの濃度から燃焼温度やｃ。

１１．０２ｆｆｉ等の分布状態をシュミレートすること
もできる。

マタ、一つのコロイド粒子４を特定してイのコロイド粒
子４が所定路ＩＬを移動する時間を測定するもことは事
実上不可能であるが、一定’ａ　瓜のコロイド粒子群が
移動する時間は接近する二点のフォトセンサにおいて測
定する濃度変化の時間的す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ォトセンサ２
７を設は近接する二つの）４トセン＋７２２．２７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
Ｊ、り速度をめることかできる。尚、第５し図において
、符号２８はコンビコータ、２９はディスブレス、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と近接きりで平行な面をスリ
ット光を以て可視化し、その面３２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って、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、上述のスリット熱線５と平行でかつ近接した状態
で照射されるスリット光５′によって可視化された流れ
楊３２からも、単位体積当りのコロイド粒′ｆ４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ＩＴＶカメラで踊影した場合、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（プ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って処理することに
より、その流れ場内における二次元的な濃度、速度及び
それらの変動をめることができる。

使方、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′ａ度のコロイド粒
子群か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］０１１１〜粒子の移動現
象は、極めて近い他の点においては極めて類似する波形
のａ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
△ｔは、両点におけるＩＩ麿変化の時間的ずれとして把
握できる。したがって、近接する平行な二平面３１．３
２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瓜測定ができる。

そこで、第５図に示すように、上述の各モニタテレビ２
１．２１’の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められると思われる位置
にフォトセンサ２２，２７′を設置し、各点における濃
度変動を測定覆る。

そして、コンピュータ２８において、人々の測定点で起
こる濃度変化の時間的ずれ・最大遅れ時間△【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Ｐ＋　、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Δｌをめる。

ｒ４Ａ大遅れ時間即ちコロイド粒子群の７オトセンサ２
２．２７’間移動時間△［がめられれば、フォトセンＦ
ｊ２２．２７’間の距離△Ｌがあらかじめ定められてい
ることから、Ｖ−八Ｌ／△［より流速は簡単にめられる
。

ＩＶ　、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っ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
を断続的に加熱し、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っ
て検出し、任意断面にお番プる流れの挙動に関する定性
的。

足囲的情報を観測す′るようにしているので、熱画像化
した場合、成る断面にお（プる流れの状態や流れの方向
といっ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１！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って生ず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然ｔｌｌ躬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８１１！度に対応するこ
とを意味する。したがって、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づれば、
非接触下に濃度環、速度環及びそれらの変動等を定石的
に測定できる。

また、本発明方法は、赤外領域における測定（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
って、二つのトレー−ＩＪを使用して二流体の混合過程
を解析したり、重なった二平面にお【プる流れの挙動特
に′ａｖ変動を同時に測定して三次元方向の流速をめる
等の流れの三次元解析を可能とし、従来では不可能だっ
た高度な流れの解析を実用可能とする。

【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
された流れ楊の熱画像を示す説明図、第３図は本発明方
法によって検出された流れの挙動に関する可視情報を利
用したｍ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図は流れの二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部との２点間に
お（プる濃度変動の時間的ずれを承りグラフ、第７図は
流れの二次元方向の速１夏測定方法の説明図である。 ４・・・〕］ロイド粒子、　５・・・局所的な熱線、２
０・・・赤外線センサ・赤外線ＩＴＶカメラ乙第１頁の
続き ０発　明　者　石　川　浩　狛 ネ ＠発明者阿部　俊夫狛 ネ ０発　明　者　久　松　暢　狛 ネ 工市岩戸北２丁目１１番１号　財団法人電力中央研究所
エルギー研究所内 工市岩戸北２丁目１１番１号　財団法人電力中央研究所
エルギー研究所内 工市岩戸北２丁目１１番１号　財団法人電力中央研究所
エルギー研究所内

Claims (1)

【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断続的に加熱し、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って検出し、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
   徴とず−る流れ場の不可視情報の検出方法。