JP2006300824A - 流体可視化計測装置および流体可視化計測方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 河川水理模型のようにモルタルなどの材料で構成された部分で流体可視化計測を行ない、模型製作費用を抑制して任意の箇所で計測し得る流体可視化計測装置および流体可視化計測方法を提供する。
【解決手段】 光学装置１０は流体２に向けて照射光を発する。透過部１４は、光学装置１０と流体２との間に設けられ、上面から底面に向けて照射光を透過する。透過部１４は流体２の表面が底面に接するように設けられる。透過部１４に接した部分では流体表面の揺らぎが抑えられるので流体２の内部を均一に照明することができる。よって、モルタルなどの材料で構成された河川水理模型において、任意の箇所で流速を計測できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、流体の流れ場を可視化する流体可視化計測装置および流体可視化計測方法に関するものである。

従来、流体の速度を測定するための方法として流体可視化計測と称される計測方法が多く用いられている。

流体可視化計測では、流体中の粒子と同等の比重を持つ微細なトレーサ粒子が混入された流体を用いて流速が計測される。測定場所である流体の断面（計測断面）は、たとえばパルスレーザ等から発せられたレーザ光等の光により、シート状に照明される。計測断面での照明は数時刻にわたり瞬間的に行なわれる。トレーサ粒子により散乱された光は瞬時的な画像としてビデオカメラなどの撮影装置に記録される。記録された複数の画像のうち、ある２時刻の画像からトレーサ粒子の移動量や移動時間などが求められる。トレーサ粒子の移動量や移動時間などから２次元の流速が求められる。

通常の流体可視化計測では、レーザ光が屈折、乱反射して拡散することがないように、レーザ光により照明される部分は平滑な面を形成し、かつ、透明な材料である。たとえば流体が水であればレーザ光により照明される部分は透明アクリル樹脂等の水槽や配管である。レーザ光により照明される部分が平滑な面を形成できない場合、レーザ光により照明される部分の場所ごとでレーザ光が屈折、乱反射して、流体をシート状に照明することができない。また、レーザ光により照明される部分がレーザ光を透過しなければ流体をシート状に照明することができない。

このような流体可視化計測について、たとえば特開平１０−２６７７８５号公報（特許文献１）では、紫外線で励起されて可視光を発生するトレーサを観測対象流体の流れに混入し、この流れにシート状に加工された紫外線を照射することによって紫外線が横切る面内での観測対象流体の流れを可視化する流れの可視化方法及び装置が開示される。この方法および装置によれば、円筒容器の中の気体の流れに、トレーサとして紫外線により励起されて蛍光を発する物質（たとえばローダミンＢを含有させた固体粒子）が混入される。この方法では円筒容器の壁面からの反射光は肉眼では見えないので、観察の際の障害にはならず、トレーサからの散乱光のみを肉眼で観察することができる。
特開平１０−２６７７８５号公報

従来の流体可視化計測方法では、レーザ光により照明される部分が透明で平滑な面を形成できる材料で構成されていなければ流速の測定ができなかった。よって、たとえば河川水理模型のようにモルタル等の材料で構成された部分において従来の流体可視化計測を行なうとすれば、モルタルの部分を透明で平滑な面を形成できる材料に置き換える必要がある。

しかし、河川水理模型の全体に対して材料の置き換えを行なうと、実際の地形を忠実に再現することができない。仮に材料の置き換えを行なったとしても、河川水理模型の規模が大きいので、模型全体に対して材料の置き換えを行なえば模型製作費用が増大する。また、河川水理模型の一部分のみに対して材料の置き換えを行なった場合には材料の置き換えが行なわれた部分以外で流速の計測ができない。以上の理由から、河川水理模型において任意の場所で流体可視化計測を行なう場合、模型を構成する材料を変更せずに測定を行なうことができる方法が必要となる。

ところで、河川水理模型では流体内部を照射するために、レーザ光を流体表面から照射する必要がある。しかし流体表面に生じる揺らぎにより流体表面は平滑な状態を保持できない。よって流体表面ではレーザ光が屈折、乱反射により拡散する。

また、流体内部の撮影を行なうためにはビデオカメラを水中に直接設置しなければならない。しかしビデオカメラを水中に設置すると流体の流れ場に乱れが生じる。よって、流体の流れ場の再現性が保持できなくなる。

本発明は、上記問題を解決するものであり、河川水理模型のようにモルタルなどの材料で構成された部分で流体可視化計測を行ない、模型製作費用を抑制して任意の箇所で計測し得る流体可視化計測装置および流体可視化計測方法を提供することを目的とする。

本発明は要約すれば、複数のトレーサ粒子が混入された流体の速度を計測する流体可視化計測装置であって、流体に向けて照射光を発する光学装置と、第１および第２の主表面を有し、第２の主表面が流体の表面に接する状態で光学装置と流体との間に設けられ、第１の主表面から第２の主表面に向けて照射光を透過させる透過部と、照射光の照射による複数のトレーサ粒子の散乱光を画像として撮影する画像撮影部と、画像に応じて速度を算出する速度算出部とを備える。

好ましくは、透過部は、移動可能である。

より好ましくは、第２の主表面は、流体の流れる向きに沿って流体の表面に垂直な断面が円弧状になるように形成される。

好ましくは、画像撮影部は、透過部よりも流体の下流側に設けられて散乱光を集光し、少なくとも一部が流体の内部に位置する集光部と、集光部によって集光された散乱光を画像として撮影し、撮影した画像を速度算出部に送信する撮影装置とを含む。

より好ましくは、集光部は、筒状レンズである。

本発明の他の局面に従うと、複数のトレーサ粒子が混入された流体の速度を計測する流体可視化計測方法であって、照射光を発する光学装置と、光学装置と流体との間に設けられて照射光を透過する透過部とを用いて、流体に照射光を照射するステップを備える。透過部は、第１および第２の主表面を有し、第２の主表面が流体の表面に接するように設けられ、第１の主表面から第２の主表面に向けて照射光を透過させる。流体可視化計測方法は、照射光の照射による複数のトレーサ粒子の散乱光を画像として撮影するステップと、画像に応じて速度を算出するステップとをさらに備える。

好ましくは、流体可視化計測方法は、照射するステップに先立って、透過部を移動させるステップをさらに備える。

より好ましくは、第２の主表面は、流体の流れる向きに沿って流体の表面に垂直な断面が円弧状になるように形成される。

好ましくは、撮影するステップは、透過部よりも流体の下流側に設けられ、少なくとも一部が流体の内部に位置する集光部を用いて散乱光を集光するステップと、集光部によって集光された散乱光を画像として撮影し、撮影した画像を出力するステップとを含む。

より好ましくは、集光部は、筒状レンズである。

本発明の流体可視化計測装置および流体可視化計測方法によれば、レーザ光を透過する透過部が流体表面に接して設けられることによって流体表面の揺らぎが抑えられる。よって本発明の流体可視化計測装置および流体可視化計測方法によれば、レーザ光の屈折、乱反射による拡散が流体表面で生じなくなることによって流体内部をシート状に照射することができるので、任意の箇所で流速を計測できる。

以下において、本発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。

図１は、本発明の流体可視化計測装置の一例を示す斜視図である。図１を参照して、本発明の流体可視化計測装置は、河川水理模型１を流れる流体２の速度を計測する。河川水理模型１において流体２は水である。流体２には複数のトレーサ粒子（図示せず）が混入される。トレーサ粒子は流体とほぼ同じ比重を有し流体粒子の動きに追従する粒子である。

領域３は河川水理模型１において流体２を除いた部分であり、具体的には大気である。流体２と領域３との境界、つまり水面には水面位置を示す水面記号４が設けられる。ただし水面記号４は河川水理模型１に設けられていなくてもよい。

本発明の流体可視化計測装置は、光学装置１０、透過部１４、画像撮影部１５および速度算出部１８を備える。

光学装置１０は流体２に向けて照射光を発する。透過部１４は、光学装置１０と流体２との間に設けられ、上面から底面に向けて照射光を透過する。透過部１４は流体２の表面が底面に接するように設けられる。透過部１４に接した部分では流体表面の揺らぎが抑えられるので流体２の内部を均一に照明することができる。よって、モルタルなどの材料で構成された河川水理模型において、任意の箇所で流速を計測できる。

光学装置１０は、レーザ装置１１と、レンズ光学系１２と、レーザ反射板１３とを含む。レーザ装置１１はレンズ光学系１２を介し、所定の時間間隔で流体２に向けてパルス状のレーザ光を発する。レーザ反射板１３はレーザ装置１１から発せられるレーザ光の進行方向を流体２の方向に変えるために設けられる。レーザ反射板１３は、たとえば一般的な鏡である。

透過部１４の底面では水の表面張力によって水面が接触する。透過部１４の底面と水面とが接触して一体となることで水面の揺らぎがない部分が作り出される。よって透過部１４によって水面におけるレーザの屈折、乱反射を防止することができる。なお、透過部１４は主としてアクリル樹脂で構成される。

透過部１４の底面は、流体２の流れる向きに沿って、流体２の表面に垂直な断面が円弧状になるように形成される。底面の形状が円弧状であれば流体の流れを乱すことなく流体表面の揺らぎを抑えることができる。なお、流体２の表面の揺らぎを抑えるのであれば透過部１４の底面の形状は円弧状に限定されず、たとえば流線型であってもよい。

透過部１４には複数の支持棒１４Ａが設けられる。透過部１４は任意の方向に移動可能であるので、河川水理模型１の任意の場所において流速の測定が可能になる。ただし、流体２が流れることで透過部１４の位置が変動しないよう、複数の支持棒１４Ａにより透過部１４は移動後の場所に固定される。

流体２に混入されたトレーサ粒子は透過部１４を透過したレーザ光により鮮明に照らし出される。レーザ光は流体２の内部をシート状に照明する。図１において照明領域２０は、流体２においてレーザ光により照明された部分を示す。

画像撮影部１５はレーザ光の照射による複数のトレーサ粒子の散乱光を画像として記録する。画像撮影部１５は、レンズ１６とビデオカメラ１７とを含む。

レンズ１６は透過部１４よりも流体２の下流に設けられて散乱光を集光する。レンズ１６は少なくとも一部が流体２の内部に位置する。レンズ１６は、たとえばボアレンズ（小型の筒状レンズ）である。

レンズ１６は流体の深さに対して十分な長さを有する必要がある。レンズ１６が流体の深さよりも十分長ければビデオカメラ１７を流体中に設置しなくても散乱光を撮影することができる。よって、流れ場を乱すことなく散乱光を撮影することができる。

レンズ１６の形状は、基本的には流体の流れに対して抵抗が小さくなるような形状であればよい。特に表面積が小さくなる点で、レンズ１６の形状は筒状であることが好ましい。

ビデオカメラ１７はレンズ１６によって集光された散乱光を、ある瞬間におけるトレーサ粒子の画像として撮影し、撮影した画像を速度算出部１８に送信する。

速度算出部１８はビデオカメラ１７とレーザ装置１１とを制御する。速度算出部１８はビデオカメラ１７から送られた画像に応じ、トレーサ粒子の移動距離や移動時間などを算出して流速を求める。また、速度算出部１８はビデオカメラによる粒子画像の撮影のタイミングとレーザ光の照射タイミングとを同期させるため、レーザ装置１１を制御する。

図２は、図１のレーザ装置１１の動作とビデオカメラ１７の動作とを模式的に説明する図である。図２を参照して、時刻ｔ０と時刻ｔ１との２つの時刻において、レーザ装置１１からパルス光Ｐ１、Ｐ２がそれぞれ照射される。時刻ｔ０と時刻ｔ１との間はたとえば数ナノ秒である。

パルス光Ｐ１、Ｐ２の照射によるトレーサ粒子の散乱光は、それぞれトレーサ粒子の時刻ｔ０、ｔ１における画像としてビデオカメラ１７に記録される。図２に示すカメラフレームにおいて、フレームＦ１では時刻ｔ０でのトレーサ粒子の画像が記録され、フレームＦ２では時刻ｔ１でのトレーサ粒子の画像が記録される。図１の速度算出部１８はフレームＦ１とフレームＦ２との切り換わりの前後にパルス光Ｐ１、Ｐ２の照射を行なうようにレーザ装置１１を制御する。

同様に、時刻ｔ２と時刻ｔ３とにおいてレーザ装置１１からパルス光Ｐ１，Ｐ２がそれぞれ照射される。時刻ｔ２，ｔ３の各時刻に発せられるパルス光の照射によるトレーサ粒子の散乱光は、フレームＦ３の画像およびフレームＦ４の画像としてそれぞれ記録される。

速度算出部１８は、たとえば連続する２時刻（時刻ｔ１，ｔ２）の画像上のトレーサ粒子像からその画像上でのトレーサ粒子の移動量を求める。トレーサ粒子の移動量をΔＸとし、時刻ｔ１と時刻ｔ２との間隔をΔｔとすると流体の速度ｕはｕ＝ΔＸ／Δｔの関係によって求められる。

図３は、本発明の流体可視化計測装置を用いた流体の速度の計測手順を示すフローチャートである。図３を参照して、処理が開始されるとまずステップＳ１では、測定場所にレーザ光を照射するため、流体２の表面に透過部１４が設置される。次にステップＳ２では、レーザ光を散乱するためのトレーサ粒子が流体２に散布される。

ステップＳ３において、レーザ装置１１はパルス光（照射光）を流体２に向けて発する。パルス光は、たとえば図２に示すように数ナノ秒の間隔で発せられる。パルス光は透過部１４を透過して流体内部（計測断面）をシート状に照明する。

ステップＳ４では、レンズ１６およびビデオカメラ１７によりトレーサ粒子の散乱光が画像として撮影される。レンズ１６はトレーサ粒子の散乱光を集光する。また、図２に示すように、ビデオカメラ１７は２つの時刻におけるトレーサ粒子の画像を異なるフレームの画像として記録する。

ステップＳ５において、速度算出部１８はビデオカメラ１７から送られた画像を保存する。ステップＳ６において、速度算出部１８は所定の方法に基づいて画像解析処理を行ない、トレーサ粒子の移動量を算出する。

ステップＳ６における画像解析処理に用いられる方法として、様々な方法が適用可能である。画像解析処理方法の一例を示すと、画像を検査領域と呼ばれる小領域に分割し、その分割された領域内の輝度値パターンを追跡する画像相関法、また、個々の粒子を追跡する粒子追跡法などがある。

ステップＳ７において、速度算出部１８はステップＳ６における画像解析処理の結果に基づき、トレーサ粒子の移動量と移動時間とから流体の速度を算出する。ステップＳ７において速度が算出されると計測が終了する。

図４は、図１の透過部１４が流体２の表面に設けられていない場合を示す図である。図４を参照して、流体２の断面方向から見た河川水理模型１が示される。流体２の表面からレーザ光Ｌ１が照射される。流体２のうち照明領域２０Ａはレーザ光Ｌ１により照明される部分である。

流体２の表面のゆらぎにより、表面に近い領域である領域Ａでは平滑な面を形成できないため、レーザ光Ｌ１により照明される部分の場所ごとでレーザ光Ｌ１が屈折、乱反射する。また、流体の底の部分である領域Ｂでは、表面での屈折、乱反射の影響を受けてレーザ光Ｌ１が拡散する。よって、照明領域２０Ａでは明るさが一様ではなく、シート状に照明されない。

図５は、図１の透過部１４を流体２の表面に設けた場合を示す図である。図５を参照して、流体２の断面方向から見た河川水理模型１が示される。流体２の表面に透過部１４が設置され、レーザ光Ｌ１は透過部１４を介して照明領域２０を照明する。

透過部１４が設置された流体２の表面ではゆらぎが生じない。よって、表面でのレーザ光の屈折、乱反射が生じない。よって、流体２の内部を均一な明るさでシート状に照明することができる。なお、流体２の内部がシート状に照明されているので流体の底の部分ではレーザ光は直線状になる。

この結果、本発明の流体可視化計測装置および流体可視化計測方法によれば、水理模型実験において詳細な２次元流速を得ることができる。よって、数値解析手法と組み合わせて、実験結果と解析結果との間で検証や相互補完を行なうことで数値解析モデルの高精度化を図ることができる。

以上のように本発明の実施の形態によれば、流体表面に接する透過部を設けることによって流体表面の揺らぎを防止し、流体内部をシート状に照明することができる。また、本発明の実施の形態によれば、透過部よりも流体の下流側に、小型の筒状レンズを流体中に設けることによって、流体の流れ場が乱れない撮影が可能になる。よって、本発明の実施の形態によれば、河川水理模型のようにモルタルなどの材料で構成された部分を任意の箇所で計測できる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の流体可視化計測装置の一例を示す斜視図である。 図１のレーザ装置１１の動作とビデオカメラ１７の動作とを模式的に説明する図である。 本発明の流体可視化計測装置を用いた流体の速度の計測手順を示すフローチャートである。 図１の透過部１４が流体２の表面に設けられていない場合を示す図である。 図１の透過部１４を流体２の表面に設けた場合を示す図である。

符号の説明

１ 河川水理模型、２ 流体、３ 領域、４ 水面記号、１０ 光学装置、１１ レーザ装置、１２ レンズ光学系、１３ レーザ反射板、１４Ａ 支持棒、１４ 透過部、１５ 画像撮影部、１６ レンズ、１７ ビデオカメラ、１８ 速度算出部、２０，２０Ａ 照明領域、Ａ 領域、Ｂ 領域、Ｆ１〜Ｆ４ フレーム、Ｌ１ レーザ光、Ｐ１，Ｐ２ パルス光、Ｓ１〜Ｓ７ ステップ。

Claims (10)

1. 複数のトレーサ粒子が混入された流体の速度を計測する流体可視化計測装置であって、
   前記流体に向けて照射光を発する光学装置と、
   第１および第２の主表面を有し、前記第２の主表面が前記流体の表面に接する状態で前記光学装置と前記流体との間に設けられ、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向けて前記照射光を透過させる透過部と、
   前記照射光の照射による前記複数のトレーサ粒子の散乱光を画像として撮影する画像撮影部と、
   前記画像に応じて前記速度を算出する速度算出部とを備える、流体可視化計測装置。
2. 前記透過部は、移動可能である、請求項１に記載の流体可視化計測装置。
3. 前記第２の主表面は、前記流体の流れる向きに沿って前記流体の表面に垂直な断面が円弧状になるように形成される、請求項２に記載の流体可視化計測装置。
4. 前記画像撮影部は、
   前記透過部よりも前記流体の下流側に設けられて前記散乱光を集光し、少なくとも一部が前記流体の内部に位置する集光部と、
   前記集光部によって集光された前記散乱光を前記画像として撮影し、撮影した画像を前記速度算出部に送信する撮影装置とを含む、請求項１に記載の流体可視化計測装置。
5. 前記集光部は、筒状レンズである、請求項４に記載の流体可視化計測装置。
6. 複数のトレーサ粒子が混入された流体の速度を計測する流体可視化計測方法であって、
   照射光を発する光学装置と、前記光学装置と前記流体との間に設けられて前記照射光を透過する透過部とを用いて、前記流体に前記照射光を照射するステップを備え、
   前記透過部は、第１および第２の主表面を有し、前記第２の主表面が前記流体の表面に接するように設けられ、前記第１の主表面から前記第２の主表面に向けて前記照射光を透過させ、
   前記照射光の照射による前記複数のトレーサ粒子の散乱光を画像として撮影するステップと、
   前記画像に応じて前記速度を算出するステップとをさらに備える、流体可視化計測方法。
7. 前記照射するステップに先立って、前記透過部を移動させるステップをさらに備える、請求項６に記載の流体可視化計測方法。
8. 前記第２の主表面は、前記流体の流れる向きに沿って前記流体の表面に垂直な断面が円弧状になるように形成される、請求項７に記載の流体可視化計測方法。
9. 前記撮影するステップは、
   前記透過部よりも前記流体の下流側に設けられ、少なくとも一部が前記流体の内部に位置する集光部を用いて前記散乱光を集光するステップと、
   前記集光部によって集光された前記散乱光を前記画像として撮影し、撮影した画像を出力するステップとを含む、請求項６に記載の流体可視化計測方法。
10. 前記集光部は、筒状レンズである、請求項９に記載の流体可視化計測方法。

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