JPS6129729A - 乱流可視化装置および方法 - 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】 （技術分野） 本発明は、流体、特に空気等の気体の複雑な運動をなす
流れ現象である乱流を可視化して具体的な解析を容易に
する乱流可視化装置に関し、流体の流れの遅速には拘わ
少なく、乱流の三次元的な動きを広い範囲に亘って詳細
に可視化し得るようにしたものである。

（従来技術） 一般に、空気の流れである気流など流体の流れが呈する
運動現象は、直接に目視することが困難である。風洞や
気流シミュレーション装置等圧おいて、気体、液体など
流体の流れ現象を具体的に解析するために、流体の流れ
、４Ｉに、乱流を目視観測、写真撮影、ビデオ撮像、映
画撮影等が可能となるように可視化して記録する乱流可
視化技術は、土木、建築、航空、機械、造船等の工学分
野や、流体力学、気象等の理学分野において流体を取扱
う技術分野に共通に広く必要とされている。

従来のこの種乱流可視化技術としては、乱流中の密度勾
配を光ビーム中のナイフェツジによる回折像にして投影
するシュリーレン法、乱流中に配置した吹流しの動きに
よシ可視化するタフト法。

あるいは、乱流中に流れを乱さない極めて微細軽量の可
視粒体群を投入して流れをトレースさせるトレーサ法な
ど種々知られているが、そのうち、トレーサ法が最も広
い範囲に容易に適用し得て。

比較的忠実かつ詳細に流体の動きを可視化し得るものと
されている。

このトレーサ法は、上述したように、流体とは視覚的に
区別し得るトレーサを少量だけ流体中に混入させ・、流
体と一体になって動かせることにより流体の流れを忠実
に可視化するものであり、流体の流れを広い範囲に亘っ
て可視化するためのトレーサの流体中への混入方法、あ
るいは、混合流体中のトレーサを明確に峻別し得るよう
にするための照明方法により、１１々の具体的適用方法
が提案されている。

四方、可視化の対象となる流体の流れ１％に、気流には
、その様相ＴＫ−よって、本質的に８次元的な挙動を示
す８次元流と２次元的な扱いが可能な２次元流とがめる
が、多くの場合に可視化の対象とするのは８次元流であ
る。

しかして、流体の８次元的な流れを可視化するためには
、可視化した８次元的な流れを２次元的に切断して平面
的に表わし、厳密にはある程度有限の厚みを有するその
切断断面内の流れを可視化して記録し、かかる平面的記
録を積重ねて立体的記録とすることが行なわれてい九。

そのための具体的適用方法として、上述したように、流
体の流れに対するトレーサの混入方法を種々工夫し、あ
るいは、流体の流れ全体に萬逼なく混入させたトレーサ
を、わずかな厚みで平面的な拡がりを有するスリット光
により照射して、流体のある断面のみを可視化し、記録
するようにしていた。

（問題点） しかして、上述したスリット光の光源としては。

従来、白熱電球、ハロゲン電球、映写用ランプ等を使用
し、レンズ系およびスリットを用いて所要のスリット光
を形成していた。したがって、従来のスリット光を用い
た乱流可視化には、りぎのような欠点がめった。

（１）　　乱流を忠実に可視化するに必要な微小なトレ
ーサ粒子を可視化するに充分な照度を確保するｐ−ふ　
布田鯵１噂亀　１ （ＩＩ）　　スリット光を確実容易に流体の流れにおけ
る任意所望の位置に移動させ得ない。

（３）　　スリット光を高速度で断続的に点滅させ得な
い。

すなわち、スリット光の照度はトレーサの反射光量に直
接に関係するので、写真、ビデオテープ等にトレーサの
軌跡を記録するためには、トレーサからの反射光量を十
分く確保する必要があるが。

微小なトレーサ粒子は、その大きさに比例して反射光量
が減少するので、観察や撮影が困難となる。

したがって、従来のトレーサ法において鉱、トレーサと
して比較的大きい粒子１例えば１羽毛球を有するタンポ
ポの種１羽毛状化したメタアルデヒド、シャボン球等、
直径数ｍｍ以上のものを用いていた。かかる大きい粒径
の粒子は、トレーサとして流体中に大量に混入させるこ
とが困難であり、また、トレーサの粒径が大きいと乱流
中の小規模の渦を忠実に追跡し得す、可視化の空間分屏
能が低下するので、トレーサとしては不適当である。

また、比較的好適なトレーサとして煙が多く用いられた
が、煙は１粒径０．１〜１μ程度の極微粒子の集合から
なっておシ１個々の微粒子からの散乱光は極めて微弱で
あっても、その集合によって可視化に必要な光量を比較
的容易に確保し得るという特質がある。しかしながら、
逆に、乱流によって煙が拡散してしまうと１個々の煙微
粒子からの散乱光は微弱であるから、直接に目視観察や
写真撮影することが不可能となる。すなわち、乱流の可
視化に煙トレーサを用いると、乱流の強い拡散性によっ
て煙が直ちに拡散してしまい、極めて小さい範囲しか可
視化し得なかった。

なお、従来、スリット光は、光源およびスリットを一体
にした装置により形成されており、スリット光の移動に
対する配慮が比較的なおざシにされていたこともあって
、従来のスリット光は乱流を追って前後左右に任意に移
動させることが困難でめった。したがって、８次元流の
解析等にあたって流れの断面を連続的に移動させて立体
的な走査により８次元流を観察することが困難でめった
。

すなわち、乱流の可視化にあ友っては、トレーサの連続
的な軌跡の撮影によって流体の速度等を測定可能にする
のであシ、そのために、ストロボスコープなど、発光時
間および発光の時間間隔を制御し得る光源によシトレー
サの軌跡を一定時間間隔で連続的に撮影し、その一定時
間間隔毎の移動距離からトレーサの速度を算出し、その
結果から流体の流速を測定していた。しかしながら、従
来のスリット光源は、上述したように白熱電球やハ四ゲ
ン電球等を用いていたので、ストロボスコープのように
発光の正確な時間制御が困難であった。

また、かかる発光時間の制御が可能なストロボスコープ
をスリット光源に用いても、ストロボスコープは、逆に
、乱流観察に必要な１秒間連続照射等の比較的長時間の
連続発光が不可能であり、流速の小さい流体の可視化に
は不便を来たす、という欠点が生じ１ζ。

（発明の目的） 本発明の目的は、上述した従来の欠点を除去し。

空気等の気体や液体などの流体がなす、気流等の乱流を
、単なる断面の可視化に留まらず、立体的に可視化して
乱流の軌跡を定量的に把握し得るようにした乱流可視化
装置を提供することにある。

本発明の他の目的は、良好な空間分解能を備えて、乱流
中の小規模の渦をも忠実に可視化し得るようにした流体
の流れの様相に影響を与えることのない微粒子トレーサ
の均一分布による存在を前提として流体の流れを確実島
容易に可視化し得る乱流可視化装置を提供することにあ
る。

本発明のさらに他の目的は、流体中の微粒子による散乱
光を目視し、あるいは、直接に撮影し得る強力なスリッ
ト光源を備え、その光源からのスリット光を適切に展開
して立体的に走査するとともに適切に断続させるように
して乱流をトレースするようにした乱流可視化装置を提
供することにある。

本発明のさらに他の目的は、上述した目的をそれぞれ達
成し得る装置を用いるとともに、可視化対象の乱流中に
、大量投入が可能であってしかも流れの様相に影響を与
えることのない微粒子トレーサを混入させるようにした
乱流可視化方法を提供することにある。

（発明の構成） すなわち１本発明乱流可視化装置は、レーザ光源と、そ
のレーザ光源から射出するレーザビームに結ばせた焦点
の位置に配設して前記レーザビームを断続するナイフェ
ツジシャッタと、そのナイフェツジシャッタを透過した
前記レーザビームを軸に直角の平面内に展開させるシリ
ンドリカルレンズと、そのシリンドリカルレンズを積載
して前記平面と交叉する方向に移動する移動台とを備え
。

前記平面内に展開した前記断続したレーザビームにより
乱流中の微粒子を照射して前記乱流を可視化するように
したことを特徴とするものである。

また１本発明乱流可視化方法は、レーザ光源と。

そのレーザ光源から射出するレーザビームに結ばせた焦
点の位置罠配設して前記レーザビームを断続するナイフ
ェツジシャッタと、そのナイフェツジシャッタを透過し
た前記レーザビームを軸に直角の平面内に展開させるシ
リンドリカルレンズと。

そのシリンドリカルレンズを積載して前記平面と交叉す
る方向に移動する移動台とを備え、前記平面内に展開し
た前記断続したレーザビームにより乱流中の微粒子を照
射して前記乱流を可視化する・ようにし次装置を用いる
とともに、前記乱流中に１μ乃至ｌＯμの粒径を有する
微粒子の群をトレーサとして混入させることを特徴とす
るものである。

本発明においては、上述した鎖目的を高山カレーザ元を
スリット光源として用いることによって一挙に達成し、
もって、風洞実験や気流シミュレーション等における複
雑な態様の乱流をも細部まで容易に可視化して観察、撮
影し得るようにして、建造物周辺の風環境、室内気流、
クリーンルームる、 （実施例） 以下に図面を参照して実施例につき本発明の詳細な説明
する。

すなわち１本発明乱流可視化装置の概念的概略構成の例
を第１図に模式的に示し、その乱流可視化装置を風洞に
組合わせて配置し、風洞実験において生じた乱流を可視
化して撮影するようにした構成配設の外観の例を第２図
に示すとともに、その乱流可視化装置の上面および側面
を第８図および第４図にそれぞれ示す。

図示の構成において、１は、全波長に亘、０５Ｗの出力
を有するアルゴンイオンレーザ等のＶ　−４光源であシ
、２はそのレーザ光源ｌからのレーザビームに焦点を結
ばせる焦点レンズであり、８はそのレーザビームの焦点
の位置に配置したナイフェツジシャッタであって、その
周期的上下動によりレーザビームを所定の周期で断続的
に点滅させ。

４は、そのナイフェツジシャッタ８の駆動装置である。

さらに、　５Ｉ／′ｉ、ナイフェツジシャッタ８を透過
したレーザビームを再び平行光束に戻すコリメータレン
ズで４ｐ、６．７および８は、いずれも反射鏡であって
、コリメータレンズ５からの平行光束レーザビームの′
″Ｉｔ、路を直角に曲げ、そのレーザビームの光軸をつ
ぎに述べるシリンドリカルレンスノトラハース軸に一致
させ、シリンドリカルレンズが移動しても、そのシリン
ドリカルレンズと一体になって移動する反射鏡８からの
レーザビームがそのシリンドリカルレンズの軸に直角に
入射するように作用する。

さて・９は、そのシリンドリカルレンズであり、その円
筒軸に直角に入射した平行光束レーザビームを７０°〜
８０°の拡がり角をもってその円筒軸に一直交する平面
内で展開させ、乱流をなす流体をその一断面に沿って照
射し得るようにするとともに、後述するトラバース用レ
ールに沿って移動可能にし、平面内に展開したレーザ光
により可視化の対象とする流体を８次元的に走査して立
体的に照射し得るようにして６カ、１０はそのシリンド
リカルレンズ９を積載してトラバースレール上を移動す
る保持台でろ”り、ｌｌは、そのシリンドリカルレンズ
・トラバース用レールであり、１２ｉ保持台１０を牽引
して移動させる駆動ワイヤであり、ｌＢはその駆動ワイ
ヤｌｚを往復駆動する駆゛勤モータである。

なお、１４はナイフェツジシャッタ駆動装置４を制御し
てシャッタの上下動によるレーザビーム断続の周期およ
びそのデユーティサイクル比と上゛下動の振幅等を設定
するナイフェツジ駆動制御部で５Ｊ１１ｓｅ’ｊニジリ
ントリ力ルレンズ保持台トラバース用駆動モータ１Ｂの
制御部であり、１６はレーザ電源部であり、１？は、上
述した各構成要素からなる乱流可視化用レーザ装置全体
を搭載し□て移動するレーザベッドであ、９．１８は、
そのレーザベッド１７の移動を支持する乱流可視化装置
支持架台であり、１９は、その乱流可視化用レーザ装置
により内部の乱流を可視化して実験を行なう風洞であシ
、２０は、その可視化した乱流を撮いては、シリンドリ
カルレンズ９によりレーザ光を平面的な拡が９を有する
スリット光に変換・するが、スリット光の厚みは、コリ
メータレンズ５の°位置の調整により、シリンドリカル
・レンズ９に入射するレーザ光束の太きを制御して行な
う。

また、気流中の微粒子はレーザスリット光を散乱させ、
その散乱光により流体の流れが可視化されるが、レーザ
光はコヒーレント光であるから。

従来の非コヒーレット光を用いた場合に比して良好なコ
ントラストをもって乱流を可視化することができる。す
なわち、従来の非コヒーレット光よりなるスリット光を
用いて可視化を行なったときには、照明された断面で生
ずる散乱光のコントラストが低下し、全体的に英然と明
るくなってしまうので、微粒子の散乱光とその他の散乱
光との区別が困難となり、可視化が困難となつｌこ。

さらに、かかるレーザ光源を用いた乱流可視化装置は、
乱流を可視化すべき風洞１９や気流シミュレー汐ン装置
とは独立に、その上部に設置した支持架台１８上を移動
するレーザー＼ツド１７に搭載して、乱流可視化装置自
体が正確にトラバースし得るように１．７で、風洞ｌｏ
内の流体の流れには何らの影響も与えずにその流体の流
れを可視化することができる。

（効果） 以上の説明より明らかなように、本発明によれば、つぎ
のような顕著な効果が得６れる。

（１）レーザビームからのレーザビームは、はとんど損
失なく、効率よくスリット光に変換することができ、例
えば出力５Ｗのレーザ光源によって４Ｗの光束をスリッ
ト光とすることができ、かかる高効率のレーザ・スリッ
ト光をシリンドリカルレンズにより拡がり角６０°、ス
リット幅約５　ｍｍに展開すれば、暗順応したときの比
視感度曲線において最大比視感度にほぼ一致するアルゴ
ンイオンレーザ光を用いた場合には、シリンドリカルレ
ンズの直下１ｍにおける照度は約８１萬ルクスに達し。

かかる託照度により、１μ程度の微粒子の散乱光も、周
囲を暗くして不要の外部光を遮断した状態においては、
肉眼によシ明確に認識′し得るようになり、−１また、
粒径１μ以下の煙粒子も個々に可視化することができ、
かかる微粒子を乱流に対するトレーサとしてオリ用する
ことによシ直径数ｒｒＬｒｎの小さい渦も可視化するこ
とができる。

（２）コヒーレントなレーザスリット光を使用している
ので、乱流中の微粒子からの散乱光が良好なコントラス
トを呈し、したがって、写真撮影等においてもコントラ
ストの、よい鮮明な映像が得られる。

（３）シリンドリカルレンズのレール上のトラバースお
よび乱流可視化装置全体の支持架台上のトラバースによ
り、レーザスリット光を容易に移動させ得るので、乱流
中の所望の位置をスリット光によシ正確に照射すること
ができ、任意所望の流れ断面を簡便に捉えることができ
る。

（４）レーザ・スリット光の周期的な断続により。

開放シャッタのカメラのもとにトレーサの断続的な軌跡
を撮影することができ、乱流中の距離と照射時間とから
乱流速度を定量的に解析することができる。

上述のような顕著な効果が得られる本発明装置により、
床面に障害物を置いた室内の乱気流並びに床面に障害物
および発熱体を置いｆｃ宰内の空気中に拡散する浮遊微
粒子の可視化の態様の例を第５図並びに第６図にそれぞ
れ示す。

なお、かかる作用効果が得られる本発明の乱流可視化は
、空気中の浮遊微粒子の計測制御を必要とする技術分野
、あるいは、かかる計測制御の手法を開発する技術分野
、特に、半導体製造、薬品製造、精密機械組立等の技術
分野に用いられるクリーンルーム内の浮遊微粒子の計測
制御において、空気中の浮遊微粒子の運動を直接に目視
して観察し、撮影し得るという格別の効果を発揮する。

番１図面の？１１単な説明　　　　゛ 第１図は本発明乱流可視化装置の概略構成の例を模式的
に示す構成配置図。

第２図は同じくその乱流可視化装置を風洞に組合わせた
構成配置の例の外観を示す斜視図、第８図および第４図
は同じくその乱流可視化装置の構成例をそれぞれ示す上
面図および側面図。

第５図および第６図は乱流および浮遊微粒子の可視化の
態様の例をそれぞれ示す線図である。

ｌ・・・レーザ光源　　　　２・・・焦点レンズ８・・
・ナイフェツジシャッタ ４・・・ナイフェツジシャッタ駆動装置５・・・コリメ
ータレンズ　６．１．８・・・反射鏡９・・・シリンド
リカルレンズ ｌＯ・・・シリンドリカルレンズ保持台１１・・・シリ
ンドリカルレンズ保持台トラバース用レール １ｍ・・・シリノドリ力ルレンズ保持台トラバース用駆
動ワイヤ １８・・−シリンドリカルレンズ保持台トラバース用駆
動モータ １４・・・ナイフェツジシャッタ駆動制御部１５・・・
ンリンドリカルレンズ保持台トラノく−ス用駆動モータ
制御部 １６・・・レーザ電源部　　　１７・・・レーザベッド
１８・・・乱流可視化装置支持架台 １９・・・風洞　　　　　　　２０・・・写真機。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、レーザ光源と、そのレーザ光源から射出するレーザ
   ビームに結ばせた焦点の位置に配置して前記レーザビー
   ムを断続するナイフエッジシャッタと、そのナイフエッ
   ジシャッタを透過した前記レーザビームを軸に直角の平
   面内に展開させるシリンドリカルレンズと、そのシリン
   ドリカルレンズを積載して前記平面と交叉する方向に移
   動する移動台とを備え、前記平面内に展開した前記断続
   したレーザビームにより乱流中の微粒子を照射して前記
   乱流を可視化するようにしたことを特徴とする乱流可視
   化装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の乱流可視化装置を搭載
   して前記移動台の移動方向と交叉する方向に移動する移
   動架台を備えたことを特徴とする乱流可視化装置。 ３、レーザ光源と、そのレーザ光源から射出するレーザ
   ビームに結ばせた焦点の位置に配設して前記レーザビー
   ムを断続するナイフエッジシャッタと、そのナイフエッ
   ジシャッタを透過した前記レーザビームを軸に直角の平
   面内に展開させるシリンドリカルレンズと、そのシリン
   ドリカルレンズを積載して前記平面と交叉する方向に移
   動する移動台とを備え、前記平面内に展開した前記断続
   したレーザビームにより乱流中の微粒子を照射して前記
   乱流を可視化するようにした装置を風洞に組合せて配置
   し、該風洞内の乱流をレーザビームで照射し、該風洞内
   の前記乱流中に１μ乃至１０μの粒径を有する微粒子の
   群をトレーサとして混入させることにより乱流を可視化
   することを特徴とする乱流可視化方法。