WO2012063442A1 - 流体流れの可視化装置および可視化方法 - Google Patents

流体流れの可視化装置および可視化方法 Download PDF

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flow field
laser light
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一輝 星島
木村　憲明
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三井造船株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01S17/88—Lidar systems specially adapted for specific applications
    • G01S17/89—Lidar systems specially adapted for specific applications for mapping or imaging

Definitions

  • the present invention relates to a fluid flow visualization device and a visualization method for visualizing a fluid flow of a measurement object.
  • a product having excellent aerodynamic resistance has been developed by visualizing the flow of fluid around a measurement object.
  • a tracer is caused to flow in the fluid, the state in which the tracer is dispersed along the fluid is captured as an image, and the fluid flow is visualized by observing this image.
  • the tracer for example, fluorescent fine particles, oily smoke, or hydrogen bubbles are used.
  • the tracer is dispersed at once in a high-speed fluid such as 50 m / second, and even if this dispersed state is captured as an image, it is difficult to capture it as a streamline. If the amount of tracer is increased to a large amount, the effect of a large amount of tracer on the fluid flow may not be negligible. It is also necessary to collect the tracer once dispersed on the downstream side of the fluid that has passed through the measurement object.
  • a liquid that emits smoke is attached to a thin line that crosses the wind tunnel, and the streamline is visualized by smoke generated by energizing and heating the thin line.
  • a thin tube having a narrow slit-like gap or a group of minute holes in the tube axis direction is used, and the tube is energized and heated while flowing the smoke generating liquid in the thin tube.
  • the thin tube is provided with elongated slit-shaped gaps or microhole groups in the axial direction of the tube, and the liquid for fume flow in the pipe, so that this liquid penetrates evenly into the elongated slit-shaped gaps or microhole groups, Uniform smoke is generated by the current heating
  • an object of the present invention is to provide a fluid flow visualization device and a visualization method capable of reliably visualizing a flow field even for a high-speed fluid in order to solve the above-described problems.
  • One embodiment of the present invention is a fluid flow visualization device that visualizes a fluid flow of an object to be measured.
  • the device is A fluid supply unit for supplying the first fluid as a tracer from the nozzle hole to the flow field of the second fluid; Laser that is irradiated so that laser light having a wavelength that the first fluid absorbs light crosses the flow field, and the irradiation position of the laser light is controlled to scan in the flow field A light supply unit; A light receiving unit that receives laser light across the flow field; A processing unit that visualizes the flow of the second fluid in the flow field using a scan intensity signal of the received laser beam.
  • the processing unit uses the scan intensity signal to determine a position where the first fluid crosses the laser beam, and visualizes the flow of the second fluid in the flow field based on the determined position. .
  • the processing unit obtains a position on the time axis where the scan intensity signal is smaller than a set threshold value, and specifies a position where the first fluid crosses the laser beam based on the position.
  • the laser light supply unit may be configured such that, for example, a laser light source, a galvano mirror that reflects the laser light emitted from the laser light source, and the laser light reflected by the galvano mirror are directed in a certain direction within the flow field. And a parabolic mirror for reflecting the laser beam.
  • the processing unit obtains a position on the time axis where the value of the scan intensity signal of the laser beam is smaller than the threshold value, and determines the scan position of the laser beam based on the orientation of the galvanometer mirror corresponding to this position. It is preferable to specify.
  • the fluid supply unit includes a nozzle row in which the nozzle holes are arranged together with a plurality of nozzle holes for supplying the first fluid to the flow field, and the laser beam traverses the flow field in the nozzle row. It is preferable to be provided so as to be orthogonal to the direction.
  • Another aspect of the present invention is a fluid flow visualization method for visualizing a fluid flow of a measurement object.
  • the method is Supplying the first fluid as a tracer from the nozzle hole into the flow field of the second fluid; A step of irradiating the laser beam such that a laser beam having a wavelength that the first fluid absorbs light crosses the flow field, and the irradiation position of the laser beam is controlled to scan the flow field.
  • Receiving laser light that has passed through the flow field Visualizing the flow of the second fluid using a scan intensity signal of the received laser beam.
  • the position where the first fluid crosses the laser beam is determined using the scan intensity signal, and the flow of the second fluid is visualized based on the determined position.
  • the position at which the first fluid crosses the laser beam is obtained based on a position on the time axis where the value of the scan intensity signal is smaller than a set threshold value.
  • the flow field can be reliably visualized even with a high-speed fluid.
  • FIG. 1 shows the wind tunnel system using the fluid flow visualization apparatus of this embodiment. It is the schematic of the fluid flow visualization apparatus of this embodiment. It is a figure which shows the relationship between the density
  • A is an example of actual measurement of a scan intensity signal when a laser beam crosses the flow of carbon dioxide gas
  • the fluid flow visualization device and visualization method of the present invention will be described in detail based on this embodiment.
  • carbon dioxide gas is used as a tracer in the wind tunnel, but other gases such as water vapor can also be used.
  • the flow field in the present embodiment is a flow field of a gas such as air in a wind tunnel, but a liquid flow field or the like can be used instead of the gas flow field. In this case, a liquid is used as the fluid used as the tracer.
  • FIG. 1 is a diagram showing a wind tunnel system 10 using a fluid flow visualization device for visualizing a fluid flow of a measurement object according to the present embodiment.
  • the wind tunnel system 10 places an object as a measurement object in a fluid flow field through which a certain gas flows, and visualizes the flow around the object.
  • an object 14 is placed in an air flow field 12 through which air flows at a constant speed.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of the visualization apparatus.
  • the visualization device includes a fluid supply unit 16, a laser light supply unit 20, a light receiving unit 22, and a control processing unit 24.
  • the fluid supply unit 16 supplies carbon dioxide gas as a tracer to the fluid flow field 12 from the plurality of nozzle holes 18. As shown in FIG. 1, carbon dioxide gas is supplied along the air flow in a direction orthogonal to the irradiation direction of a laser beam L to be scanned, which will be described later, with the nozzle hole 18 as a supply point. The supply speed of the carbon dioxide gas is adjusted to be the same as the air flow speed.
  • the nozzle hole 18 is connected to a tank (not shown) of carbon dioxide gas. During the connection to the tank, an adjustment mechanism is provided for adjusting the carbon dioxide gas so as to reach a predetermined supply rate. Therefore, the carbon dioxide gas is supplied into the flow field 12 from the nozzle hole 18 as a supply point and flows along the flow field 12.
  • the laser light supply unit 20 includes a laser light source 23, a galvano mirror 25, a parabolic mirror 26, and a galvano mirror driver 28.
  • the laser light source 23 emits a laser beam L having a wavelength for absorbing carbon dioxide.
  • a quantum cascade laser (QCL) is used as the laser light source 23.
  • the QCL emits laser light L having a wavelength of 4.3 ⁇ m, for example. This 4.3 ⁇ m laser beam L has a wavelength at which carbon dioxide absorbs light.
  • the galvanometer mirror 25 is a mirror that is directed toward the parabolic mirror 26 while changing the reflection angle of the laser light L emitted from the laser light source 23.
  • the direction of the reflecting surface of the galvanometer mirror 25 is controlled by a control signal sent from the galvanometer mirror driver 28, and the reflection angle of the laser light L is changed.
  • the reflection surface of the laser beam L of the galvanometer mirror 25 irradiates the laser beam L in a direction orthogonal to the arrangement direction of the arranged nozzle holes 18 and makes the flow field 12 planar. Move as you scan.
  • the laser light L is shown to be scanned in the upstream and downstream directions of the flow field 12, but in the present embodiment, the laser light L is as shown in FIG. , Scanned in a direction orthogonal to the flow of the flow field 12.
  • the parabolic mirror 26 has a reflecting surface that changes the direction of the laser light L reflected by the galvanometer mirror 25 so as to be directed in a certain direction within the flow field 12.
  • the position of the laser beam L incident on the parabolic mirror 26 is changed by changing the reflection angle of the galvanometer mirror 25.
  • the parabolic mirror 26 is provided so that its focal point coincides with the reflection position of the laser light L on the galvanometer mirror 25. Therefore, the laser beam L reflected by the parabolic mirror 26 moves in parallel in the flow field 12 by changing the reflection angle of the galvanometer mirror 25.
  • the laser beam L in the flow field 12 is scanned in the arrangement direction of the nozzle holes 18 while maintaining the irradiation direction of the laser beam L. Can be made.
  • the galvano mirror driver 28 generates a control signal in response to an instruction from the control processing unit 24 described later, and sends the control signal to the galvano mirror 25.
  • the light receiving unit 22 includes a parabolic mirror 32 and a light receiving unit 34.
  • the paraboloidal mirror 32 is provided so that one point of the light receiving surface of the light receiving unit 34 is a focal point, and the laser beam L crossing the flow field 12 is converged to one point of the light receiving surface of the light receiving unit 34. Therefore, the laser beam L scanned on the flow field 12 is received by the light receiving unit 34.
  • the light receiving unit 34 receives the laser light L.
  • the light receiving device 34 is made of an InSb (indium antimony) material. Therefore, the light receiving unit 34 outputs a scan intensity signal according to the intensity of the received laser beam L.
  • the control processing unit 24 includes a computer 36, a D / A converter 38, and an A / D converter 40.
  • the computer 36 instructs the galvano mirror driver 28 to control the direction of the reflecting surface of the galvanometer mirror 25 and performs the following processing using the digital signal of the scan intensity signal output from the light receiving unit 34.
  • the position on the space where the carbon dioxide gas supplied from the plurality of nozzle holes 18 crosses the laser beam L is obtained.
  • the computer 36 visualizes the air flow in the flow field 12.
  • the above instructions and processing of the computer 36 are performed by calling and executing a program stored in a memory (not shown) in the computer 36. That is, the above instruction and processing are performed by software.
  • the D / A converter 38 converts the instruction signal from the computer 36 into an analog signal and sends it to the galvanometer mirror driver 28. Thereby, the galvanometer mirror driver 28 creates a control signal for controlling the reflection surface of the galvanometer mirror 25.
  • the A / D converter 40 converts the scan intensity signal output from the light receiving unit 34 into a digital signal. Further, the A / D converter 40 takes in the drive current and converts it into a digital signal in order to monitor the drive current of the laser light L of the laser light source 23 and to make it a trigger signal for processing to be described later.
  • the computer 36 specifies the position where the carbon dioxide gas crosses the laser beam L in the flow field 12 based on the scan intensity signal output from the A / D converter 40. Thereby, the position through which the carbon dioxide gas supplied from the nozzle hole 18 passes can be known.
  • FIG. 3 shows the relationship between the concentration of carbon dioxide gas and the relative level of the QCL intensity signal (the level of 0.3% of carbon dioxide gas is assumed to be 1.0).
  • the relative level of the intensity signal decreases as the carbon dioxide concentration increases. Therefore, the carbon dioxide gas supplied from the nozzle hole 18 flows along the flow field 12 and is supplied in consideration that the concentration of the carbon dioxide gas along the flow field 12 decreases due to partial diffusion.
  • a threshold value of the intensity signal is set according to the concentration of carbon dioxide gas.
  • the computer 36 extracts the position on the time axis of the intensity signal that is smaller than this threshold, and specifies the position on the space where the carbon dioxide gas crosses the laser beam L based on the extracted position.
  • FIG. 4A is an actual measurement example of a scan intensity signal when the laser light L crosses the flow of carbon dioxide gas
  • FIG. 4B is a scan intensity signal obtained by scanning the laser light L.
  • FIG. 4A the horizontal axis indicates the position in the space where the laser beam L scans
  • the vertical axis indicates the relative scan intensity signal based on the level of the intensity signal when no carbon dioxide gas flows. The difference by the presence or absence of carbon dioxide gas is shown.
  • the position on the space is a value converted from the direction of the reflecting surface of the galvanometer mirror 25.
  • the computer 36 obtains a relative scan intensity signal based on the level of the intensity signal of carbon dioxide gas having a concentration of 0.3% from the scan intensity signal, and the level of the scan intensity signal and the set threshold value.
  • a position on the time axis where the value of the scan intensity signal is smaller than the set threshold value is extracted.
  • the positions of the times t A , t B and t C on the time axis are extracted. These three positions correspond to positions on the space where the carbon dioxide gas supplied from the three nozzle holes 18 crosses the laser beam L among the nozzle holes 18 arranged in a row as shown in FIG.
  • the flow does not branch or merge, and the position on the space corresponding to the times t A , t B and t C obtained by scanning is supplied as a tracer from each nozzle hole 18 of the nozzle row. This is where carbon dioxide gas passes.
  • the computer 36 controls the direction of the reflecting surface of the galvanometer mirror 25, the position where the laser beam L crosses in the flow field 12 can be specified based on the direction of the reflecting surface of the galvanometer mirror 25.
  • the angle of the reflection surface of the galvanometer mirror 25 and the position of the laser beam L that crosses the flow field 12 can be associated. That is, the computer 36 can determine the irradiation position of the laser beam L in the flow field 12 based on the direction of the reflecting surface of the galvanometer mirror 25 corresponding to the extracted times t A , t B and t C. Therefore, the computer 36 can specify the position of the carbon dioxide gas supplied from the nozzle holes 18 arranged in a line on the space across the laser beam L.
  • the position where the laser beam L is scanned in a planar shape is moved in the direction upstream or downstream of the flow field 12, so that the carbon dioxide flowing out of the nozzle hole 18 and flowing in the flow field 12 is obtained.
  • the position of the carbon gas in the space can be specified, and by connecting this position as a continuous line, flow visualization, for example, a streamline can be obtained.
  • the laser light supply unit 20 and the light receiving unit 22 of the present embodiment include a mechanism for moving in the direction of the upstream side or the downstream side of the flow field 12. The result of such visualization is displayed as an image on a display (not shown) of the computer 36.
  • the flow of the flow field 12 is visualized using one laser light L.
  • the flow field 12 is visualized using one laser light L.
  • Visualization of the flow field 12 and further streamlines may be obtained using a plurality of obtained scan intensity signals.
  • the fluid supply unit 16 supplies carbon dioxide gas as a tracer from the nozzle hole 18 into the air flow field 12.
  • the laser light supply unit 20 irradiates the laser light L so that the laser light L having a wavelength that the carbon dioxide gas absorbs light crosses the flow field 12.
  • the irradiation position of the laser beam L is controlled to scan the flow field 12 by controlling the direction of the reflection surface of the galvanometer mirror 25.
  • a light receiving unit 22 provided at a position opposite to the laser beam supply unit 20 in the flow field 12 receives the laser beam L scanned in the flow field 12.
  • the scan intensity signal of the received laser beam L is converted into a digital signal by the A / D converter 40 and is taken into the computer 36.
  • the drive current of the laser light source 23 output to the A / D converter 40 is also digitized, and this drive current is also captured by the computer 36 for monitoring the intensity of the laser light L.
  • the value of the scan intensity signal captured by the computer 36 is compared with a preset threshold value, and the value of the scan intensity signal is smaller than the set threshold value on the time axis.
  • the position is extracted, and the position where the carbon dioxide gas crosses the laser beam L is specified from the extracted position.
  • the upstream side in the flow field 12 is downstream.
  • the position where the carbon dioxide gas flows on the side can be obtained. Therefore, streamlines in the flow field 12 can be obtained.
  • the position of the carbon dioxide gas in the space is specified using a preset threshold, but the position of the carbon dioxide gas in the space is not necessarily specified.
  • a scan intensity signal of carbon dioxide gas at each position on the space from the upstream side to the downstream side in the flow field 12 is obtained, and the value of the scan intensity signal corresponding to this position is made to correspond to the scan position in the space.
  • the concentration distribution of the carbon dioxide gas supplied from the plurality of nozzle holes 18 and flowing along the flow field 12 can be known. Therefore, this density distribution can be displayed on a display (not shown) of the computer 36 as a visualized image of the flow field 12.
  • the carbon dioxide gas supplied from the nozzle hole is used as a tracer, and the laser light L having a wavelength that the carbon dioxide gas absorbs light is irradiated so as to scan the flow field 12. Therefore, by specifying the position where the carbon dioxide gas crosses the laser beam L, the flow field 12 can be visualized. In particular, since the intensity of the laser beam L that decreases due to light absorption of carbon dioxide gas can be obtained with high accuracy, the flow field 12 can be reliably visualized even with a high-speed fluid. In addition, since carbon dioxide gas is used, the carbon dioxide gas used as the tracer can be flowed to the atmosphere, so there is no need to collect the tracer as in the conventional case.
  • a position on the time axis where the value of the scan intensity signal of the laser light L is smaller than a set threshold is extracted, and the position on the space where the carbon dioxide gas crosses the laser light L is specified from the extracted position.
  • the position of carbon dioxide gas can be easily extracted.
  • the laser light source 23, the galvano mirror 25 that reflects the laser light L emitted from the laser light source 23, and the laser light L reflected by the galvano mirror 25 are directed in a certain direction in the flow field 12. Since the laser beam supply unit 20 including the parabolic mirror 26 that reflects the laser beam L is used, the laser beam L can be easily scanned to know the position of the carbon dioxide gas in the space. .
  • the computer 36 obtains a position on the time axis where the value of the scan intensity signal of the laser light L is smaller than the threshold, and identifies the scan position of the laser light L based on the orientation of the galvanometer mirror 25 corresponding to this position, By predetermining the correspondence between the scan position and the position on the time axis of the scan intensity signal, the position of the carbon dioxide gas in the space can be specified relatively easily.
  • carbon dioxide gas is supplied by the nozzle rows of the plurality of nozzles 18 arranged in a row, and this nozzle row is provided so as to be orthogonal to the direction in which the laser light L crosses the flow field 12.
  • the laser light supply unit 20 scans the laser light L using the galvano mirror 25 and the parabolic mirror 26.
  • the galvano mirror 25 and the parabolic mirror 26 a plurality of micro mirrors are used. You may use the micromirror device arrange

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Abstract

　測定対象物の流体の流れを可視化する際、トレーサとして第１流体をノズル孔から第２流体の流れ場内に供給し、前記第１流体が光吸収する波長を備えるレーザ光が前記流れ場内を横切るように、前記レーザ光を照射する。その際、前記レーザ光の照射位置が前記流れ場内をスキャンするように制御される。一方、前記流れ場内を通過したレーザ光を受光し、受光したレーザ光のスキャン強度信号を用いて、前記第１流体がレーザ光を横切る位置を求めることにより、第２流体の流れを可視化する。前記第１流体が前記レーザ光を横切る位置は、前記スキャン強度信号の値が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置に基づいて求められる。上記可視化により、高速流体であっても、確実に流れ場の可視化をすることができる。

Description

流体流れの可視化装置および可視化方法
　本発明は、測定対象物の流体の流れを可視化する流体流れの可視化装置および可視化方法に関する。
　従来より、測定対象物周りの流体の流れを可視化することにより、空力抵抗に優れた製品を開発することが行われている。
　一般に、流体の流れを可視化する場合は、流体内にトレーサを流し、そのトレーサが流体に沿って分散した状態を画像として捕らえ、この画像を観測することによって、流体の流れは可視化される。トレーサには、例えば蛍光微粒子、油煙、あるいは水素気泡等が用いられる。
　しかし、このようなトレーサを用いる方法は、流体が５０ｍ／秒等の高速流体ではトレーサが一度にばらばらに分散し、この分散した状態を画像として捉えても、流線として捕らえることは難しい。トレーサの量を多量に増やした場合、多量のトレーサが流体の流れに与える影響を無視できなくなる場合もある、
　また、一旦分散したトレーサを、測定対象物を通過した流体の下流側で回収する必要もある。
　一方、小型風洞を横切る細い線に、昇温により発煙する液をつけ、上記細線を通電加熱して生じた煙により、流線を可視化する流線観測方法及びその装置が知られている（特許文献１）。
　当該流線観測方法及びその装置では、風洞を横切る細線に、昇温により発煙する液をつけ、上記細線を通電加熱して生じた煙により、流線を可視化する。その際、上記細線として、細径管に管軸方向の細長いスリット状の間隙、又は微小穴群を設けたものを用い、その細径管内に上記発煙用液を流しつつ管を通電加熱する。
　上記細径管に、管軸方向の細長いスリット状の間隙又は微小穴群を設けて、管内に発煙用液を流すので、この液は細長いスリット状の間隙又は微小穴群に均等に浸透し、通電加熱により一様に発煙する。
特開平５－２６４３９７号公報
　しかし、上記流線観測方法及びその装置においても、流体が５０ｍ／秒等の高速流体での流線の可視化は難しい。
　そこで、本発明は、上記問題点を解決するために、高速流体であっても、確実に流れ場の可視化をすることができる流体流れの可視化装置および可視化方法を提供することを目的とする。
　本発明の一態様は、測定対象物の流体の流れを可視化する流体流れの可視化装置である。当該装置は、
　トレーサとして第１流体をノズル孔から第２流体の流れ場に供給する流体供給ユニットと、
　前記第１流体が光吸収する波長を備えるレーザ光が前記流れ場内を横切るように、前記レーザ光を照射し、かつ、前記レーザ光の照射位置が前記流れ場内をスキャンするように制御されるレーザ光供給ユニットと、
　前記流れ場内を横切ったレーザ光を受光する受光ユニットと、
　受光したレーザ光のスキャン強度信号を用いて、前記流れ場における前記第２流体の流れを可視化する処理ユニットと、を備える。
　前記処理ユニットは、前記スキャン強度信号を用いて前記第１流体がレーザ光を横切る位置を求め、求めた前記位置に基いて、前記流れ場における前記第２流体の流れを可視化する、ことが好ましい。
　前記処理ユニットは、前記スキャン強度信号が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置を求め、この位置に基いて前記第１流体が前記レーザ光を横切る位置を特定することが好ましい。
　また、前記レーザ光供給ユニットは、例えば、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を反射するガルバノミラーと、前記ガルバノミラーで反射されたレーザ光が前記流れ場内で一定の方向に向くように、前記レーザ光を反射する放物面ミラーと、を含む。
　また、前記処理ユニットは、前記レーザ光のスキャン強度信号の値が前記閾値より小さくなる時間軸上の位置を求め、この位置に対応する前記ガルバノミラーの向きに基づいて前記レーザ光のスキャン位置を特定する、ことが好ましい。
　また、前記流体供給ユニットは、前記ノズル孔を、前記第１流体を前記流れ場に供給する複数のノズル孔とともに配列したノズル列を備え、前記ノズル列は、前記レーザ光が前記流れ場内を横切る方向と直交するように設けられる、ことが好ましい。
　本発明の他の一態様は、測定対象物の流体の流れを可視化する流体流れの可視化方法である。
　当該方法は、
　トレーサとして第１流体をノズル孔から第２流体の流れ場内に供給するステップと、
　前記第１流体が光吸収する波長を備えるレーザ光が前記流れ場内を横切るように、前記レーザ光を照射し、かつ、前記レーザ光の照射位置が前記流れ場内をスキャンするように制御されるステップと、
　前記流れ場内を通過したレーザ光を受光するステップと、
　受光したレーザ光のスキャン強度信号を用いて、前記第２流体の流れを可視化するステップと、を備える。
　前記第２流体の流れを可視化するとき、前記スキャン強度信号を用いて前記第１流体がレーザ光を横切る位置を求め、求めた前記位置に基いて、前記第２流体の流れを可視化する、ことが好ましい。
　前記第１流体が前記レーザ光を横切る位置は、前記スキャン強度信号の値が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置に基づいて求められる、ことが好ましい。
　上記流体流れの可視化装置および可視化方法によれば、高速流体であっても、確実に流場の可視化をすることができる。
本実施形態の流体流れの可視化装置を用いる風洞システムを示す図である。 本実施形態の流体流れの可視化装置の概略図である。 二酸化炭素ガスの濃度とレーザ光の強度信号の相対レベルとの関係を示す図である。 （ａ）は、二酸化炭素ガスの流れをレーザ光が横切るときのスキャン強度信号の実測例であり、（ｂ）は、本実施形態の流体流れの可視化装置で得られるスキャン強度信号の一例を模式的に示す図である。
　以下、本発明の流体流れの可視化装置および可視化方法を、本実施形態に基づいて詳細に説明する。本実施形態は、風洞内において二酸化炭素ガスをトレーサとして用いるが、これ以外のガス、例えば水蒸気を用いることもできる。また、本実施形態における流れ場は、風洞内の空気等の気体の流れ場であるが、気体の流れ場に代えて液体の流れ場等を用いることもできる。この場合、トレーサとして用いる流体は、液体が用いられる。
　図１は、本実施形態の、測定対象物の流体の流れを可視化する流体流れの可視化装置を用いる風洞システム１０を示す図である。
　風洞システム１０は、一定の気体が流れる流体の流れ場内に測定対象物として物体を置き、物体周りの流れを可視化する。
　具体的には、風洞システム１０では、空気が一定速度で流れる空気の流れ場１２中に物体１４が置かれる。
　図２は、可視化装置の概略の構成を示す図である。可視化装置は、流体供給ユニット１６と、レーザ光供給ユニット２０と、受光ユニット２２と、制御処理ユニット２４と、を有する。
　流体供給ユニット１６は、トレーサとして二酸化炭素ガスを複数のノズル孔１８から流体の流れ場１２に供給する。図１に示すように、ノズル孔１８を供給点とし、後述するスキャンされるレーザ光Ｌの照射方向に対して直交する方向で、空気の流れに沿って二酸化炭素ガスは供給される。二酸化炭素ガスの供給速度は、空気の流れる速度と同じになるように調整される。ノズル孔１８は、二酸化炭素ガスの図示されないタンクに接続される。タンクに接続される途中、二酸化炭素ガスが所定の供給速度になるように調整する調整機構が設けられている。したがって、二酸化炭素ガスは、ノズル孔１８を供給点として流れ場１２内に供給されて流れ場１２に沿って流れる。
　レーザ光供給ユニット２０は、レーザ光源２３と、ガルバノミラー２５と、放物面ミラー２６と、ガルバノミラードライバ２８と、を有する。
　レーザ光源２３は、二酸化炭素を光吸収する波長を備えるレーザ光Ｌを出射する。図２に示すように、量子カスケードレーザ（Quantum Cascade Laser：ＱＣＬ）がレーザ光源２３として用いられる。ＱＣＬは、例えば、４．３μｍの波長のレーザ光Ｌを出射する。この４．３μｍのレーザ光Ｌは、二酸化炭素が光吸収する波長である。
　ガルバノミラー２５は、レーザ光源２３から出射したレーザ光Ｌの反射角度を変更しながら放物面ミラー２６に向けるミラーである。ガルバノミラー２５の反射面の向きが、ガルバノミラードライバ２８から送られる制御信号によって制御されてレーザ光Ｌの反射角度が変更される。ガルバノミラー２５のレーザ光Ｌの反射面は、後述するように、レーザ光Ｌは、配列されたノズル孔１８の配列方向に対して直交する方向に照射し、かつ流れ場１２内を平面状にスキャンするように、移動する。なお、図２では、便宜上、レーザ光Ｌは流れ場１２の上流側、下流側の方向にスキャンされるように示されているが、本実施形態では、レーザ光Ｌは図１に示すように、流れ場１２の流れに対して直交する方向にスキャンされる。
　放物面ミラー２６は、ガルバノミラー２５で反射されたレーザ光Ｌを流れ場１２内で一定の方向に向くように向きを変える反射面を有する。放物面ミラー２６に入射するレーザ光Ｌの位置は、ガルバノミラー２５の反射角度の変更により、変更される。放物面ミラー２６は、その焦点がガルバノミラー２５におけるレーザ光Ｌの反射位置と一致するように設けられている。したがって、放物面ミラー２６で反射したレーザ光Ｌは、ガルバノミラー２５の反射角度が変わることによって、流れ場１２内を平行に移動する。したがって、ガルバノミラードライバ２８によってガルバノミラー２５の反射面の向きを制御することによって、流れ場１２内のレーザ光Ｌを、レーザ光Ｌの照射方向を維持しつつ、ノズル孔１８の配列方向にスキャンさせることができる。
　ガルバノミラードライバ２８は、後述する制御処理ユニット２４による指示に応じて、制御信号を生成し、ガルバノミラー２５に制御信号を送る。
　受光ユニット２２は、放物面ミラー３２と、受光部３４と、を有する。
　放物面ミラー３２は、受光部３４の受光面の一点を焦点とし、流れ場１２内を横切ったレーザ光Ｌを受光部３４の受光面の一点に収束させるように設けられている。したがって、流れ場１２をスキャンしたレーザ光Ｌは受光部３４で受光される。
　受光部３４は、レーザ光Ｌを受光する。受光部３４は、例えば、レーザ光Ｌが赤外領域の波長を有する場合、受光デバイスは、ＩｎＳｂ（インジウムアンチモン）の材料が用いられる。したがって、受光部３４は、受光したレーザ光Ｌの強度に応じて、スキャン強度信号を出力する。
　制御処理ユニット２４は、コンピュータ３６と、Ｄ／Ａコンバータ３８と、Ａ／Ｄコンバータ４０と、を有する。
　コンピュータ３６は、ガルバノミラー２５の反射面の向きを制御するようにガルバノミラードライバ２８に指示する他、受光部３４から出力されたスキャン強度信号のデジタル信号を用いて、以降に示す処理を行って、複数のノズル孔１８から供給された二酸化炭素ガスがレーザ光Ｌを横切る空間上の位置を求める。これにより、コンピュータ３６は、流れ場１２における空気の流れを可視化する。
　コンピュータ３６の上記指示及び処理は、コンピュータ３６内の図示されないメモリに記憶されたプログラムを呼び出して実行することにより行われる。すなわち、上記指示および処理は、ソフトウェアにより行われる。
　Ｄ／Ａコンバータ３８は、コンピュータ３６の指示信号をアナログ信号に変換してガルバノミラードライバ２８に送る。これにより、ガルバノミラードライバ２８は、ガルバノミラー２５の反射面を制御するための制御信号を作成する。
　Ａ／Ｄコンバータ４０は、受光部３４から出力されたスキャン強度信号をデジタル信号に変換する。さらに、Ａ／Ｄコンバータ４０は、レーザ光源２３のレーザ光Ｌの駆動電流をモニタリングするために、さらに、後述する処理のトリガー信号とするために、駆動電流を取り込んでデジタル信号に変換する。
　コンピュータ３６は、Ａ／Ｄコンバータ４０から出力されたスキャン強度信号に基いて、二酸化炭素ガスが流れ場１２内でレーザ光Ｌを横切る位置を特定する。これによって、ノズル孔１８から供給された二酸化炭素ガスの通過する位置を知ることができる。図３は、二酸化炭素ガスの濃度とＱＣＬの強度信号の相対レベル（二酸化炭素ガスの濃度０．３％のレベルを１．０とする）との関係を示している。図３に示されるように、二酸化炭素濃度が上昇するほど、強度信号の相対レベルは低下することがわかる。したがって、ノズル孔１８から供給された二酸化炭素ガスが流れ場１２に沿って流れ、一部分が拡散することによって流れ場１２に沿った二酸化炭素ガスの濃度が低下することを考慮して、供給された二酸化炭素ガスの濃度に応じて、強度信号の閾値が設定される。コンピュータ３６は、この閾値より小さくなる強度信号の時間軸上の位置を抽出し、抽出した位置に基いて二酸化炭素ガスがレーザ光Ｌを横切る空間上の位置を特定する。
　図４（ａ）は、二酸化炭素ガスの流れをレーザ光Ｌが横切るときのスキャン強度信号の実測例であり、図４（ｂ）は、レーザ光Ｌをスキャンすることによって得られたスキャン強度信号の一例を模式的に示す図である。なお、図４（ａ）では、横軸はレーザ光Ｌがスキャンする空間上の位置を示し、縦軸は二酸化炭素ガスを流さないときの強度信号のレベルを基準とした相対的なスキャン強度信号を示し、二酸化炭素ガスの有無による差異が示されている。上記空間上の位置は、ガルバノミラー２５の反射面の向きから変換した値である。
　コンピュータ３６はスキャン強度信号から、二酸化炭素ガスの濃度０．３％の強度信号のレベルを基準とする相対的なスキャン強度信号を求め、このスキャン強度信号のレベルと設定された上記閾値とのレベルを比較し、スキャン強度信号の値が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置を抽出する。
　図４（ｂ）に示す例では、時間軸上の時間ｔA，tB及びtCの位置が抽出される。この３つの位置は、図１に示すように一列に並んだノズル孔１８のうち、３つのノズル孔１８から供給された二酸化炭素ガスがレーザ光Ｌを横切る空間上の位置に対応する。一般に流れ場内では、流れは分岐しないし合流しないので、スキャンによって得られた時間ｔA，tB及びtCに対応する空間上の位置が、ノズル列の各ノズル孔１８からトレーサとして供給された二酸化炭素ガスの通過する位置となる。
　一方、コンピュータ３６は、ガルバノミラー２５の反射面の向きを制御するので、ガルバノミラー２５の反射面の向きに基いて、流れ場１２においてレーザ光Ｌが横切る位置を特定することができる。すなわち、ガルバノミラー２５の反射面の角度とレーザ光Ｌの流れ場１２を横切る位置を関連付けることができる。つまり、コンピュータ３６は、抽出した上記時間ｔA，tB及びtCに対応したガルバノミラー２５の反射面の向きに基いて、レーザ光Ｌの流れ場１２内の照射位置を求めることができる。したがって、コンピュータ３６は、一列に並んだノズル孔１８から供給された二酸化炭素ガスの、レーザ光Ｌを横切る空間上の位置を特定することができる。
　このような流れ場１２においてレーザ光Ｌの平面状にスキャンする位置を、流れ場１２の上流側、あるいは下流側の方向に移動させることにより、ノズル孔１８から出て流れ場１２内を流れる二酸化炭素ガスの空間上の位置を特定することができ、この位置を連続線として結ぶことにより、流れの可視化、例えば、流線を求めることができる。本実施形態のレーザ光供給ユニット２０と受光ユニット２２とは、流れ場１２の上流側、あるいは下流側の方向に移動させる機構を備える。
　このような可視化の結果は、画像としてコンピュータ３６の図示されないディスプレイに表示される。
　本実施形態では、１つのレーザ光Ｌを用いて流れ場１２の流れの可視化を行うが、複数のレーザ光Ｌを、流れ場１２中の上流側、下流側の種々の位置においてスキャンすることにより得られる複数のスキャン強度信号を用いて流れ場１２の可視化、さらには、流線を求めてもよい。
　このような風洞システム１０では、まず、流体供給ユニット１６は、トレーサとして二酸化炭素ガスをノズル孔１８から空気の流れ場１２内に供給する。
　次に、レーザ光供給ユニット２０は、二酸化炭素ガスが光吸収する波長を備えるレーザ光Ｌが流れ場１２内を横切るように、レーザ光Ｌを照射する。その際、ガルバノミラー２５の反射面の向きの制御により、レーザ光Ｌの照射位置が流れ場１２内をスキャンするように制御される。
　一方、流れ場１２の、レーザ光供給ユニット２０と反対側の位置に設けられた受光ユニット２２は、流れ場１２内をスキャンしたレーザ光Ｌを受光する。
　受光したレーザ光Ｌのスキャン強度信号は、Ａ／Ｄコンバータ４０において、デジタル信号とされ、コンピュータ３６に取り込まれる。Ａ／Ｄコンバータ４０に出力されたレーザ光源２３のドライブ電流もデジタル化され、このドライブ電流も、レーザ光Ｌの強度のモニタリングのためにコンピュータ３６に取り込まれる。
　図４（ｂ）に示されるように、コンピュータ３６に取り込まれたスキャン強度信号の値が、予め設定された閾値と比較され、スキャン強度信号の値が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置を抽出し、抽出した位置から二酸化炭素ガスがレーザ光Ｌを横切る位置を特定する。このようにレーザ光Ｌが平面状にスキャンする平面の位置を、流れ場１２内の上流側あるいは下流側に変えて、レーザ光Ｌのスキャンをすることにより、流れ場１２内の上流側から下流側における二酸化炭素ガスの流れる位置を求めることができる。したがって、流れ場１２内の流線を得ることができる。
　本実施形態では、予め設定された閾値を用いて、二酸化炭素ガスの空間上の位置を特定するが、必ずしも、二酸化炭素ガスの空間上の位置を特定しなくてもよい。例えば、流れ場１２内の上流側から下流側にかけての空間上の各位置における二酸化炭素ガスのスキャン強度信号を得て、この位置に対応するスキャン強度信号の値を、スキャン位置に対応させて空間上に割り当て、さらに、スキャン強度信号の値に応じて色分けすることにより、複数のノズル孔１８から供給され、流れ場１２に沿って流れた二酸化炭素ガスの濃度分布を知ることができる。したがって、この濃度分布を流れ場１２の可視化画像としてコンピュータ３６の図示されないディスプレイに表示することもできる。
　以上のように、本実施形態では、トレーサとしてノズル孔から供給される二酸化炭素ガスを用い、二酸化炭素ガスが光吸収する波長を備えるレーザ光Ｌを、流れ場１２内をスキャンするように照射するので、二酸化炭素ガスがレーザ光Ｌを横切る位置を特定することにより、流れ場１２を可視化することができる。特に、二酸化炭素ガスの光吸収によって低下するレーザ光Ｌの強度を精度高く求めることができるので、高速流体であっても、確実に流れ場１２の可視化をすることができる。しかも、二酸化炭素ガスを用いるので、トレーサとして使用した二酸化炭素ガスは、大気に流すことができるので、従来のようにトレーサを回収する必要がない。
　コンピュータ３６において、レーザ光Ｌのスキャン強度信号の値が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置を抽出し、抽出した位置から二酸化炭素ガスがレーザ光Ｌを横切る空間上の位置を特定することにより、二酸化炭素ガスの位置を簡単に抽出することができる。
　本実施形態では、レーザ光源２３と、レーザ光源２３から出射したレーザ光Ｌを反射するガルバノミラー２５と、ガルバノミラー２５で反射されたレーザ光Ｌが流れ場１２内で一定の方向に向くように、レーザ光Ｌを反射する放物面ミラー２６と、を含むレーザ光供給ユニット２０を用いるので、二酸化炭素ガスの空間上の位置を知るために行うレーザ光Ｌのスキャンを簡単に行うことができる。
　コンピュータ３６は、レーザ光Ｌのスキャン強度信号の値が閾値より小さくなる時間軸上の位置を求め、この位置に対応するガルバノミラー２５の向きに基づいてレーザ光Ｌのスキャン位置を特定するので、スキャン位置とスキャン強度信号の時間軸上の位置との対応を予め定めておくことにより、比較的簡単に二酸化炭素ガスの空間上の位置を特定することができる。
　本実施形態では、一列に並んだ複数のノズル１８のノズル列によって二酸化炭素ガスが供給され、このノズル列は、レーザ光Ｌが流れ場１２内を横切る方向と直交するように設けられるので、レーザ光Ｌのスキャンにより、二酸化炭素がレーザ光Ｌを横切る複数の位置を同時に得ることができ、流れ場１２の流れを可視化するのに効率がよい。
　本実施形態では、レーザ光供給ユニット２０において、ガルバノミラー２５および放物面ミラー２６を用いてレーザ光Ｌをスキャンさせるが、ガルバノミラー２５および放物面ミラー２６の代わりに、複数の微小ミラーが平面上に配置されたマイクロミラーデバイスをレーザ光Ｌのスキャン用デバイスとして用いてもよい。
　以上、本発明の流体流れの可視化装置および可視化方法について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
１０　風洞システム
１２　流れ場
１４　物体
１６　流体供給ユニット
１８　ノズル孔
２０　レーザ光供給ユニット
２２　受光ユニット
２３　レーザ光源
２４　制御処理ユニット
２５　ガルバノミラー
２６，３２　放物面ミラー
２８　ガルバノミラードライバ
３４　受光部
３６　コンピュータ
３８　Ｄ／Ａコンバータ
４０　Ａ／Ｄコンバータ

Claims (9)

  1. 　測定対象物の流体の流れを可視化する流体流れの可視化装置であって、
    　トレーサとして第１流体をノズル孔から第２流体の流れ場に供給する流体供給ユニットと、
    　前記第１流体が光吸収する波長を備えるレーザ光が前記流れ場内を横切るように、前記レーザ光を照射し、かつ、前記レーザ光の照射位置が前記流れ場内をスキャンするように制御されるレーザ光供給ユニットと、
    　前記流れ場内を横切ったレーザ光を受光する受光ユニットと、
    　受光したレーザ光のスキャン強度信号を用いて、前記流れ場における前記第２流体の流れを可視化する処理ユニットと、を備えることを特徴とする流体流れの可視化装置。
  2. 　前記処理ユニットは、前記スキャン強度信号を用いて前記第１流体がレーザ光を横切る位置を求め、求めた前記位置に基いて、前記流れ場における前記第２流体の流れを可視化する、請求項１に記載の流体流れの可視化装置。
  3. 　前記処理ユニットは、前記スキャン強度信号が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置を求め、この位置に基いて前記第１流体が前記レーザ光を横切る位置を特定する、請求項２に記載の流体流れの可視化装置。
  4. 　前記レーザ光供給ユニットは、レーザ光源と、前記レーザ光源から出射したレーザ光を反射するガルバノミラーと、前記ガルバノミラーで反射されたレーザ光が前記流れ場内で一定の方向に向くように、前記レーザ光を反射する放物面ミラーと、を含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の流体流れの可視化装置。
  5. 　前記処理ユニットは、前記レーザ光のスキャン強度信号の値が前記閾値より小さくなる時間軸上の位置を求め、この位置に対応する前記ガルバノミラーの向きに基づいて前記レーザ光のスキャン位置を特定する、請求項４に記載の流体流れの可視化装置。
  6. 　前記流体供給ユニットは、前記ノズル孔を、前記第１流体を前記流れ場に供給する複数のノズル孔とともに配列したノズル列を備え、
    　前記ノズル列は、前記レーザ光が前記流れ場内を横切る方向と直交するように設けられる、請求項１～５のいずれか1項に記載の流体流れの可視化装置。
  7. 　測定対象物の流体の流れを可視化する流体流れの可視化方法であって、
    　トレーサとして第１流体をノズル孔から第２流体の流れ場内に供給するステップと、
    　前記第１流体が光吸収する波長を備えるレーザ光が前記流れ場内を横切るように、前記レーザ光を照射し、かつ、前記レーザ光が前記流れ場内をスキャンするように制御されるステップと、
    　前記流れ場内を通過したレーザ光を受光するステップと、
    　受光したレーザ光のスキャン強度信号を用いて、前記第２流体の流れを可視化するステップと、を備えることを特徴とする流体流れの可視化方法。
  8. 　前記第２流体の流れを可視化するとき、前記スキャン強度信号を用いて前記第１流体がレーザ光を横切る位置を求め、求めた前記位置に基いて、前記第２流体の流れを可視化する、請求項７に記載の流体流れの可視化方法。
  9. 　前記第１流体が前記レーザ光を横切る位置は、前記スキャン強度信号の値が設定された閾値より小さくなる時間軸上の位置に基づいて求められる、請求項８に記載の流体流れの可視化方法。
     
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