JPS60243571A - 流れ観察段面と直交する方向の速度測定方法 - 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、光明の背量 （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）の速
度を測定する方法に関する。

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、おもな対象とする定性的な観察にとどま
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、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、平面的な流れ即ち二次
元流にお（プ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。

■９発明の目的 本発明は、流れの三次元解析を実現するため、流体の三
次元方向の速度を測定する方法を提供することを目的と
する。

■０発明の構成 （発明の概要） 斯かる目的を達成するため、本発明の流れの二次元方向
の速度測定方法は、均一な濃度でコロイド粒子を含む気
体コロイドによって流れ場を形成し、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
熱する赤外加熱面と、前記流れ場に局所的に光を照射し
前記コ［］イド粒子で入射光を散乱させて可視化した可
視面との二つの近接した流れ断面を平行に形成する一方
、前記赤外加熱面のコロイド粒子から放射される熱エネ
ルギを赤外センサによって検出し前記赤外加熱面の濃度
変動を熱放射エネルギの強度から測定すると共に前記可
視面をＴＶカメラで撮影して前記可視面の濃度変動を散
乱光の強度から測定し、各流れ断面における８度変動を
同時に測定してこれらの間の８度変動の時間的ずれをめ
、この時間をコロイド粒子群の二手面間の移動時間とし
て流れ断面と直交覆る方向の速度をめるようにしている
。

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図に流れ場の三次元方向の流速を測定する本発明方
法を実施する実験装置の一例を概略図で示ず。この実験
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「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と、モデ
ル槽１内の流れ場に局所的な熱線５日をパルス状に照射
するスリット熱線源３目及び局所的な可視光５ｖを照射
するスリット光源３ｖ並びに流れ場の外において可視化
ないし加熱された流れ場の定性的、定量的情報を検出す
る赤外線センサ２０日とＴＶカメラ２０Ｖとから構成さ
れ−Ｃいる。尚、モデル槽１の底面から導入された気体
コロイドは、モデル槽１内において流れ場を再現したの
ら■デル槽１の一１方の排気口６から図示しない排気管
を通じて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
入位置及び方向には一切制限を受（）ない。

前記モア′ル槽１は、本実施例の場合、第２図に示すよ
うに、可視光と赤外線を共に良く通ツ祠料、例えばガラ
ス特に好ましくはシリカガラス、ｍ−バリウム−酸化ゲ
ルマニウム系カラス、硫化物ガラス、セレン化物カラス
などの赤外線透過カラスによって所定形状に形成され、
その上方に仙気口６を底面に噴射ロアを右する。このモ
デル槽１（よ、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。

しチル槽底面の噴射ロアには観察しようとする流れ楊を
再現するモデルが一般に取付（プられる。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うえな
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つとが設置され、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を含む流体（燃料に相当す
る）を噴射させると共にその周囲がらはコロイド粒子か
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−Ｅデル槽１は周壁全
面を赤外線及び可視光線を透過させる材料で形成してい
ることから、観察機器に対向Ｊる面が観察窓１０に相当
し、スリット熱線源３日あるいはスリット光ｔｌｉｆ＋
３Ｖに対向する面が入射窓１１に相当する。しかし、モ
デル槽１は全周壁面を透過性材料で形成する必要はなく
、少なくとも観察窓１０と入射窓１１が透過性を有すれ
ば足りる。スリット光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
に観察窓１０と入射窓とを位置させておけば良い。

前述のモデル槽１あるいは無限空間にＫＱ　ＦＩ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１］イ（−粒子汀人部１３
をＭＱ　Ｌプ、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６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ａ送風機でモデル
１１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ｉ
ｌｌ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
体を採用りることもある。また、コロイド粒子４として
は、直径１μｍ！５！度の微粒子が容易に入手できるＭ
（Ｉ　Ｏ，Ｓｉ○、Ａｆｔ２０３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を定量噴則装置を
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′ａｖ、に形成さ
れるか、或いはあらかじめ空気と＝１０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３Ｈからパルス状に照射される局所的な熱線５Ｈ
によって、流れの任意の位置における断面たる一平面２
８１−１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、その湿度差や温度分布を測定
し」、うど覆る場合、絶対零度以上の温度にある全ての
物体けその表面から温度に応じた熱蔵割］ネルギをｈり
出しているのでそのままの状態でも熱蔵ロ４エネル千の
検出は可能であるが、非接触下において測定Ｊる場合に
は測定温度が相対値でしかめられむいため、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、Ｎｉｌ峙１こ一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ｈ
（好適である。

レーザ３の選定にあたっては、１〜レーサｊこる＝Ｉ　
Ｃｌイド粒子４の材質即ら該粒子４が良・く吸収する波
長帯域を考慮しな番）ればならない。また、コロイド粒
子４の赤外加熱は、スリット光５ｖに因る流れの可視化
を妨げないようにするため、可視光の放射を伴わない温
度、例えば３００〜４０．０℃、更に好ましくは３００
’Ｃ程度に均一に抑えること及び断続加熱に追従可能で
あるような熱容量をｂつ程度の粒子系であることが必要
である。そこで、熱線源３としては、比較的低出力の赤
外線レーザ、例えば炭酸カスパルスレーザの使用が好ま
しい。

尚１局所的にパルス状に照射する熱線５日とは、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」
、っであるいはレーザビームをそのまｊの状態て＾速に
オシレートさせることによって実質的に得られるスリッ
ト状の熱線がパルス状発振するように制御されＩこもの
をいう。パルス状に熱線５日をＩｌ’ｉ続的に加熱し、
加熱時間を一定にＪ−ることによって、コ［１イ１−粒
子４は均一に＋Ｊ１１熱される また、上述の流れ場は、スリット光５ｖに代表される局
所的な照明によって、前述の赤外加熱而２８Ｈと近接覆
る流れの任意の位置の一平面２８Ｖを可視化するように
設けられている。即ち、スリット光５ｖをコロイド粒子
４に乱反射させることによって、任意断面におりる流れ
を抽出して可？３Ｍ　（ヒする。スリット光５Ｖは公知
のスリット光源３ｖによっであるいはレーザビームを二
次元光学系を使用して広りることによって若しくはレー
リ”ビームをそのままの状態で高速にＡシレートさける
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。

流れ場の外において、赤外線加熱にＪ、っ（］１１イド
粒子４から放出される熱放射エネルギを検出するヒンナ
２０ト１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、物体が輻躬覆る熱放射■−ネ
ルギを検出してぞの温度Ｍ　−１’Ｊ温度分布を測定す
る場合の測定対象湿態ては熱放射エネルギのピークが赤
外領域に有るからである。

そこで、本実施例にあっては、焦電効果型赤外線じシ］
ンを使−）た工業用赤外ＫＡＴ　Ｖカメラ２０　ｍｌを
採用し、流れの挙動に関づる定性的、定ω的情報を不可
視状態のまま検出し１りるようにしている。

無電効果型赤外線ビジコンは、−３０・−十３３０℃と
いう比較的低い温度を対象とし、２〜１５μｎ）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
而でＲ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、赤外線センサとしては
、焦電効果索子に限らず、子の他の熱型素子あるいは光
量丁型素子を用いた赤外線ＩＴＶカメラやサーモグラフ
ィ等の他の視覚化手段ないし測定手段を適宜選定づる。

上記赤外線センサ２０）−１によって検出された熱敢口
・ｊエネルギは画像信号あるいはｊシタルミ気信８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、土、　’ｒｌＬの赤外線１王カメラ２０Ｈ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
２１１」に直接表示Ｊることがてきる。即ら、モニタテ
レビに熱画像として表示できる。このとさの輝度の階調
は、白（高温）から黒（低温）までの範囲て熱Ｍ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。

また、散乱光によって可視化された流れ場から散乱光の
輝痘に置換された流れの挙動に関する定性的、定量的情
報を可視域において検出するセンサとしては、−「Ｖカ
メラ、中でも１買く用゛「Ｖカメラ２０　Ｖが最も一般
的である。このＩ　Ｔ　Ｖ　ＪＪメラ２０Ｖによって検
出された散乱光の輝位信＠　ｌｊ、そのまま画像信号と
しであるいはｉｆ５速△　Ｄ変換を経てデジタル電気信
号として出力され、ｉＪ■’（５１化に供されあるいは
測定ないし記録のため１こ供され若しく（よ録画される
。例えば、市販のモニクアし・し２１Ｖに直接表示する
場合、流れ場＋、、ｔ　、　ｊｊｊ＋！乱尤の輝度に対
応した階調の白黒画像として表示される。勿論、このＴ
Ｖ輝度信号は、コンビ−１−／Ｉ処理等によって輝亀に
対応−４る明ｆ（と邑合いのカラー表示に変換するとも
可能である。

以上のように構成された実験装置を使っ（流れの三次昇
方向の速度を訓定考る木５Ｐ岨１．ン人をバー。

ナモデルを例に挙げて説明する。

まず、モデル槽１あるいは無限空間に向けて均質ｉ７１
１１１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Ｉプ安定供給し、槽底の噴用ロアから吹き出さ
せてＬチル槽１内あるいは無限空間に流れ揚を作り出す
。尚、気体コロイド（Ｊ流れ揚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、あるいは流体供給コニツ１〜２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、第２図に示す
ように、この流れ場にスリット熱線５１−１をパルス状
に照射して、仔租断面における平面的な流れの中に存在
するコロ−イト粒子４を瞬時に加熱する。この熱線・赤
外線５１−１による＝１０イト粒子４の加熱は、コロイ
ド粒子４からの熱エネルギの放射を伴うので、ある断面
にお（プるコ［ｊイ１−粒子４の勤さを赤外線ｆＴＶカ
メラ２０１−１を通して追跡可能とし、且つ流れを熱画
像として可視化できる。しかも、十分ｖＩｌ相でかつ均
質なコロイド粒子４から放射される熱放射エネルギ１゛
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コロイド密度に比例すると考えられ
、それは熱ｋｌ射エネルギの強度がＳ度に対応すること
を意味することがら、コロイド粒子４の粗密に伴う熱放
射エネルギ分布及びイの変動を流れの１ｍ分布及びその
変動として把握できる。そこで、赤外加熱された流れ１
２８Ｈを赤外線ＴＶカメラ２０＋１Ｙｌｌｉ４影し、こ
れをモニターテレビ２１８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、Ｉｌｌい）の
熱画像が得られる。この熱画像の光の強弱をブラウン管
−Ｌ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
ＩＩン信口を除ムリれ（Ｊ、赤外加熱面・流れ場２８　
Ｈのある点におけるｆＡｒａ変動を測定できる。勿論、
モニタテレヒ２１ト１を介さずに直接高速Ａ−Ｄ変換し
、任意の測定点ないし全てのテ′ジタル信号をコンピュ
ータヘーＦ１記憶させてから処理しても良い。尚、モニ
タテレビ２１Ｈの画面上における測定に際しては、測定
領域中もっとも暗い部分でも微小出力例えば３１１１Ｖ
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イｒう必要
がある。また、測定位置の変更は、ブラウン管上の）Ａ
トセン＋ｊ２２Ｈを移動させるが、あるいはトラバース
（図示省略）にてカメラ２０］１を微動させることによ
り行なう。

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２８Ｈと近接させて平行な面２８
ＶをスリッＩ〜光５ｖを以て可視化し、その而２８Ｖに
お（プる流れの挙動に関する情報を可視情報で検出する
。このスリット熱線５日と平行てかつ近接した状態で前
側されるスリット光５ｖに」：って可視化された流れ場
２８　Ｖ　ｈｌ　１らは、！ｌｉｌ体位当りのコロイド
粒子４の数に比例した強度の散乱光か１！′Ｐられる。

この散乱光の強度は単位体積当りのコロイド粒子数即ち
濃度に比例１る。

そして、これをｆＴＶカメラで撮影した場合、モニタテ
レビ２１Ｖ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１．ＩＬ−スにＪ：って
処理することにより、イの流れ場内における二次元的な
ｉ１１度変動をめることができる。

一つの］ロイド粒子４を特定してイのコロイド粒子４が
所定距離へ［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′ｍ度の］ロイド粒子群が移動する
時間は接近する二点のフＡ＋−センｌ−２２１１，２２
Ｖにおいて測定回る濃度変化の時間的すれとして把握す
ることができる。

即ち、微細かつ均質なコロイド粒子４が畜に含まれた流
体が作り出す流れ場において、一定淵曵のコロイド粒子
１１丁が移動覆る現象は−っの測定Ｊ、″λにおいて濃
度変化として表われる。ぞして、このコ［１イド粒子群
の移＃Ｊ現象は、極めて近い他の１．”べにおいては極
めて類似する波形の濃度変化とし【ａわｈる（第５図参
照）、、このことがら、１０丁ド粒子群の近接する二点
間にお（）る移動時間△（は、両点にお＋ｊる濃度変化
の１１５間的ずれどして把握できる。したがっ（、近接
する平行な二平面２８８．２８Ｖ内の流れ楊において、
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がら二次元方向の
流れの速度を８１１１定できる。尚、′ａ度変動は、コ
ロイド粒子４を含む流体と含Ｊない流体との混合状態に
おいて、Ｄ　Ｉ−Ｉイド粒子４を含まない流体の割合か
、ＤＪくなるにつれであるいは流体の拡散によるに薄化
につれて単位体積中の］し１イ１〜粒子凱が減少し、ψ
位体積当りの温度あるいは散乱光の輝度か低くな一ノＣ
デレヒ画面−Ｆでの明るさを失うとい−う現象で表われ
る。

−てこで、第４図に示すように、上述の各Ｅ−ニクテレ
ｅ’２１　ｔ−１，２１Ｖの−７＝ｉウンｔＩ　ｔ　（
７）　’＝Ｊ　ｌｉｔ同一あるい（Ｊ　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）ｇ［
−ｆ：ン（す２２Ｈ１２２Ｖを設置し、各点における淵
瓜変動を１（Ｉｌｌ定づる。イして、二１ンビュータ２
４において、夫々の測定点て起こる濃度変化の時間的づ
゛れ・最大遅れ時間△（か（（］Ｕ相関関＃！！法を用
いて締出される。

前述した」、うに、接近した二つの測定点Ｐ＋、Ｐ２に
おいでは第５図に示すように￥？ｉ佃の満酊安イトが起
こる。そこで、各測定点におけるｍ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をめる。

最大遅れ時間即ちコロイド粒子群の７７　トセンサ２２
Ｈ，２２Ｖ間移動時間Δｔがめられれば、）Ａトセンザ
２２Ｈ，２２Ｖ間の微小距離ΔＬがあらかじめ定められ
ていることから、Ｖ−△１−／△ｔＪ：り流速は簡単に
められる。

尚、第４図において、符号２５はテｒスブレス、２６　
ハＸ　Ｙレー）−夕、２７はプリンタである・■１発明
の効果 以上の説明から明らかなように、本発明に係る流れの二
次元方向の速度測定方法（ユ、均一な濃度でコロイド粒
子を含む気体コロイドににって流れ場を形成し、これに
局所的に熱線をパルス状に照射して前記］［１イド粒子
を断続的に加熱する赤外加熱面と、前記流れ場に局所的
に光を照射し前記コロイド粒子で入射光を散乱させて可
視化したｉＪ視面との二つの近接した流れ断面を平行に
形成づる一方、前記赤外＋Ｊｒｌ熱面のコロイド粒ブー
から放射される熱エネルギを赤外センサによって検出し
前記赤外加熱面の′ａ度変動を熱放射エネルギの強度か
ら測定すると共に前記可視面をＴＶカメラで撮影して前
記可視面の濃度変動を散乱光の強度から測定し、各流れ
断面にＪゴＣプる濃度変動を同詩に８１１１定してこれ
らの間のｉＩｉ度変動の時間的ずれをめ、この時間をコ
ロイド粒子群の二手面間の移動旧聞として流れ断面と直
交する方向の速度をめるようにしているので、従来では
不可能だった流れの挙りＪの三次元解析を非接触下に実
現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る流れの三次元方向の速度を測定す
る方法を実施する実験装置の一例を示す概略図、第２図
は本発明の三次元方向の流速測定方法を示す説明図、第
３図はモニタテレビ〔こ可視化された流れ場の熱画像を
示す説明図、第４図は三次元方向の流速を測定する装置
の概略図、第５図は赤外加熱面と可視面との２点間にお
（プる１ｉ１度変動の時間的ずれを示すグラフである。 ４・・・コロイド粒子、５Ｈ・・・局所的な熱線、５Ｖ
・・・局所的な可視光、２０　Ｈ・・・赤外線センサ、
２０Ｖ・・ＴＶカメラ、　２８Ｈ・・・赤外加熱面、２
８Ｖ・・・可視面。 特許出願人　日本ファーネス工業株式会召財団法人　電
力中央研究所 第２図 第３図 第１頁の続き ０発　明　者　石　川　浩 ＠発明者阿部　俊夫 ０発　明　者　久　松　暢 狛江市岩戸北２丁目１１番１号　財団法人電力中央研究
所エネルギー研究所内 狛江市岩戸北２丁目１１番１号　財団法人電力中央研究
所エネルギー研究所内 狛江市岩戸北２丁目１１番１号　財団法人電力中央研究
所エネルギー研究所内

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１〜によっ
   て流れ場を形成し、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する赤外加熱面
   と、前記流れ場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「て可視化した可視面との二つの近接
   した流れ断面を平行に形成する一方、前記赤外加熱面の
   一１日イド粒子から放射される熱エネルギを赤外センサ
   によって検出し前記赤外加熱面の濃度変Ｃｊを熱放射エ
   ネルギの強度から測定すると共に前記可視面をＴＶカメ
   ラで撮影して前記可視面の濃度変動を散乱光の強度から
   測定し、各流れ断面における１ｍ変動を同時に測定して
   これらの間の濃度変動の時間的ずれをめ、この時間をコ
   ロイド粒子群の二重面間の移動時間として流れ断面と直
   交する方向の速度をめることを特徴とする流れ断面と直
   交する方向の速度測定方法。３、発明の詳細な説明