JP2020063954A - Flow velocity measuring device, flow velocity distribution measurement system, fluid control system, and flow velocity measurement method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、流速計測装置、流速分布計測システム、流体制御システム及び流速計測方法に関する。 The present invention relates to a flow velocity measuring device, a flow velocity distribution measuring system, a fluid control system and a flow velocity measuring method.
気体や液体などの流体中を流れる微小な粒子が、2本のレーザ光が交差した領域で形成される干渉縞を通過する際、散乱光が生じる。この散乱光の周波数は、光のドップラー効果により元のレーザ光の周波数に対して変位が生じている。周波数の変位は粒子の通過速度に比例することが知られており、散乱光の周波数をフォトディテクタ(フォトダイオード)等に代表される受光素子を通じて光信号を電気信号に変換し、オシロスコープやデータ収集用ボードを使用して取得すれば、粒子の速度を推定可能になる。
これがレーザドップラー流速計(LDV:Laser Doppler Velocimetry)を使用した速度計測の原理である。LDVは光を使用する方法であるため、高い時間分解能を持つ計測方法であり、絶対校正が不要という特徴を持つ。また、計測対象とする流路や風路内にセンサ等を挿入することなく、光のみを照射して速度を取得できるため、非侵襲(非接触)な計測方法である。
以上の特徴から、LDVは、自動車や鉄道等の輸送機器周りの大規模スケール流れ場から、micro-total analysis systems (μTAS)やlab-on-a-chipに代表される生物化学分析用のマイクロチップ内における微小なスケールの流れ場まで、幅広いスケールの流れ場における速度計測に使用されている、代表的な速度計測方法の1つである。
Scattered light is generated when minute particles flowing in a fluid such as gas or liquid pass through an interference fringe formed in a region where two laser beams intersect. The frequency of this scattered light is displaced with respect to the frequency of the original laser light due to the Doppler effect of light. It is known that the frequency shift is proportional to the passage speed of particles. The frequency of scattered light is converted into an electrical signal through a light receiving element typified by a photodetector (photodiode), and used for oscilloscope and data collection. If it is acquired using the board, the velocity of particles can be estimated.
This is the principle of speed measurement using a laser Doppler velocity meter (LDV: Laser Doppler Velocity). Since LDV is a method that uses light, it is a measurement method that has a high time resolution and is characterized in that absolute calibration is not necessary. Further, since the velocity can be acquired by irradiating only light without inserting a sensor or the like into the flow path or the air passage to be measured, this is a non-invasive (non-contact) measurement method.
Based on the above characteristics, LDV is a microscale for biochemical analysis represented by micro-total analysis systems (μTAS) and lab-on-a-chip from large-scale flow fields around transportation equipment such as automobiles and railways. This is one of the typical velocity measurement methods used for velocity measurement in a wide scale flow field up to a minute scale flow field in a chip.
通常、LDVの装置としては、レーザ光を流路に向けて照射する照射プローブと、散乱光を受光するための受光素子を組み込んだプローブの、2つのプローブで構成されるものが多い。また、照射プローブ中に受光素子を組込み、1つのプローブでレーザ光照射からデータ取得まで行うものも開発されている。 In many cases, an LDV device is composed of two probes, an irradiation probe for irradiating a laser beam toward a flow path and a probe incorporating a light receiving element for receiving scattered light. In addition, there has been developed a device in which a light receiving element is incorporated in an irradiation probe to perform laser light irradiation to data acquisition with one probe.
一方、LDVは2本のレーザ光が交差する領域のみにおいて速度を計測する方法(点計測)であるため、流れ場に関して取得できる情報量が少ない。
計測対象とする流れ場において、流れ方向や高さ方向、そして奥行き方向における速度など、速度を分布として取得するためには、装置を機械的に走査(トラバース)させる必要がある。
また、2本のレーザは、照射プローブのレーザ照射口に取り付けられたレンズにより集光され、交差する。そのため、この交差位置もレンズの焦点距離によって決定され、装置によっては照射口から交差位置までの距離(作動距離)が非常に大きくなってしまうものもある。
更に、計測対象によっては装置そのもののトラバース量や作動距離を考慮する必要があり、装置の設置空間の自由度が制限されてしまうこと、そして、それに伴って適用先とする計測対象が限定されてしまうという課題があった。
On the other hand, since the LDV is a method (point measurement) of measuring the velocity only in the area where two laser beams intersect, the amount of information that can be acquired regarding the flow field is small.
In the flow field to be measured, it is necessary to mechanically traverse the device in order to acquire velocity as a distribution such as velocity in the flow direction, the height direction, and the depth direction.
Further, the two lasers are condensed by a lens attached to the laser irradiation port of the irradiation probe and intersect each other. Therefore, this intersection position is also determined by the focal length of the lens, and depending on the device, the distance (working distance) from the irradiation port to the intersection position may become very large.
Furthermore, depending on the measurement target, it is necessary to consider the traverse amount and working distance of the device itself, which limits the degree of freedom of the installation space of the device, and accordingly the measurement target to which the device is applied is limited. There was a problem of being lost.
奥行き方向に対してプローブをトラバースさせることなく、LDVによって流れ場における奥行き方向の速度分布を取得可能な技術は、例えば非特許文献1及び非特許文献2などに開示されている。
A technique capable of acquiring the velocity distribution in the depth direction in the flow field by the LDV without traversing the probe in the depth direction is disclosed in, for example,
これらの文献には、非常に高価な音響光学素子等の装置を複数使用し、複数のレーザ光の周波数とその通過位置を適切に調整しないといけないことや(非特許文献1)、複数の回折格子から生じる回折光のうち、適切な光を選択的に交差させるため、光学系を厳密に調整しないといけないこと(非特許文献2)などが記載されている。
そのため、特殊な装置を使用しないといけないだけでなく、レーザ光の位置調整等には非常に熟練した技術が必要であり、誰でも簡単に扱える装置や技術になっているとは言い難い。
In these documents, it is necessary to use a plurality of devices such as an acousto-optic device which is very expensive, and to appropriately adjust the frequencies of a plurality of laser beams and their passing positions (Non-Patent Document 1), and a plurality of diffractions. It is described that, among diffracted lights generated from the grating, appropriate light is selectively crossed so that the optical system must be strictly adjusted (Non-Patent Document 2).
Therefore, not only a special device has to be used, but also highly skilled technology is required for adjusting the position of the laser beam, etc., and it is hard to say that this is a device and technology that anyone can easily handle.
以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、簡単な構成で、しかも取り扱いも容易で、奥行き方向に対してプローブをトラバースさせることなく、流れ場における奥行き方向の速度分布を取得できる流速計測装置、流速分布計測システム、流体制御システム及び流速計測方法を提供することにある。 In view of the circumstances as described above, an object of the present invention is to measure the flow velocity with a simple configuration, easy handling, and capable of acquiring the velocity distribution in the depth direction in the flow field without traversing the probe in the depth direction. An object is to provide an apparatus, a flow velocity distribution measuring system, a fluid control system, and a flow velocity measuring method.
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る流速計測装置は、2本のレーザ光を出射する出射部と、焦点距離を変化でき、前記出射部より出射された2本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、計測対象である流体中を流れる粒子が前記2本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光を観察するための観察部とを有する。 In order to achieve the above-mentioned object, a flow velocity measuring device according to an embodiment of the present invention is capable of changing a focal length and an emission part that emits two laser beams, and emits two laser beams emitted from the emission part. A variable focus lens system to intersect, and an observation unit for observing scattered light generated when particles flowing in a fluid to be measured pass through an interference fringe formed in an area where the two laser beams intersect. Have.
本発明の一形態に係る流速分布計測システムは、壁近傍の流体の流速分布を計測する流速分布計測システムである。このシステムは、上記構成の流速計測装置を、前記出射部より出射された2本のレーザ光が交差する領域が前記壁近傍に位置するように、前記壁内に埋め込んで構成される。 A flow velocity distribution measurement system according to an aspect of the present invention is a flow velocity distribution measurement system that measures a flow velocity distribution of a fluid near a wall. This system is configured by embedding the flow velocity measuring device having the above configuration in the wall such that a region where two laser beams emitted from the emission unit intersect is located near the wall.
本発明の一形態に係る流体制御システムは、影響付与部と、上記構成の流速計測装置と、制御部とを有する。影響付与部は、壁近傍を流れる流体に当該流体の流れに影響を与える。流速計測装置は、前記出射部より出射された2本のレーザ光が交差する領域が前記壁近傍に位置するように、前記影響付与部の周囲で前記壁内に埋め込まれて構成される。制御部は、前記流速計測装置により計測された流体の流速に基づき、前記影響付与部による前記流体の流れに与える影響を制御する。 A fluid control system according to an aspect of the present invention includes an influence imparting unit, a flow velocity measuring device having the above configuration, and a control unit. The influence imparting unit influences the flow of the fluid flowing in the vicinity of the wall. The flow velocity measuring device is configured to be embedded in the wall around the influence imparting unit so that a region where the two laser beams emitted from the emitting unit intersect is located near the wall. The control unit controls the influence of the influence imparting unit on the flow of the fluid based on the flow velocity of the fluid measured by the flow velocity measuring device.
本発明の一形態に係る流速計測方法は、2本のレーザ光を出射し、焦点距離を変化できる可変焦点レンズ系を介して前記出射された2本のレーザ光を交差させ、計測対象である流体中に存在する粒子が、前記2本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過したときに生じる散乱光を観察する。 A flow velocity measuring method according to an aspect of the present invention is an object to be measured by emitting two laser beams and intersecting the two laser beams emitted via a variable focus lens system capable of changing a focal length. The scattered light generated when the particles existing in the fluid pass through the interference fringe formed in the region where the two laser beams intersect is observed.
本発明により、簡単な構成で、しかも取り扱いも容易で、奥行き方向に対してプローブをトラバースさせることなく、流れ場における奥行き方向の速度分布を取得できる。 According to the present invention, it is possible to acquire the velocity distribution in the depth direction in the flow field without traversing the probe in the depth direction with a simple configuration and easy handling.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
<一実施形態に係る流速計測装置>
図1は本発明の一実施形態に係る流速計測装置1の概略構成を示すブロック図である。図1に示すように、流速計測装置1は、出射部10及び可変焦点レンズ系20を含むプローブ2と、観察部30と、制御部40からその主要部が構成され、流れ場Ffにおける奥行き方向Ddの流速分布Vpを取得するものである。なお、本実施形態に係る流速計測装置1のプローブ2は、照光プローブと受光プローブとを共用するが、本発明はこれに限定されず、照光プローブと受光プローブがそれぞれ別であってもよい。
出射部10は、奥行き方向Ddと直交する方向に所定の間隔をおいて、平行に2本のレーザ光L1、L2を出射する。2本のレーザ光L1、L2は、典型的には同一光源で周波数及び位相が等しい。
<Flow velocity measuring device according to one embodiment>
FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a flow
The
可変焦点レンズ系20は、焦点距離fを変化でき、出射部10より出射された2本のレーザ光L1、L2を焦点距離fで交差させる。可変焦点レンズ系20は、バリフォーカルレンズとも言い、典型的には、電圧制御で焦点距離を制御可能な液体レンズである。なお、本実施形態に係る可変焦点レンズ系20は、焦点距離fを変化できる光学系であれば、液体レンズ以外であっても構わない。例えば、可変焦点レンズ系20は、複数のレンズにより構成し、その一部を光軸に沿って移動することで、連続して焦点距離を変化するようにした光学系でもよい。
観察部30は、計測対象である流体中の粒子P、典型的には粒子が2本のレーザ光L1、L2が交差する領域、つまり焦点距離fの領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光Lsを、可変焦点レンズ系20を介して観察するためのものである。
制御部40は、演算部として機能し、観察部30により観察された散乱光Lsの周波数に基づき流体の流速を推定する。また、制御部40は、出射部10、可変焦点レンズ系20及び観察部30の動作を制御する。例えば、制御部40は、出射部10よりレーザ光L1、L2を出射するように制御し、可変焦点レンズ系20を電気的に制御して可変焦点レンズ系20の焦点距離を制御し、観察部30より散乱光Lsを受光するように制御する。制御部40は、典型的には、PC(パーソナルコンピュータ)によって構成することができる。
The variable
When the
The
図2は本実施形態に係る出射部10、可変焦点レンズ系20及び観察部30の具体的な構成の一例を示す図である。なお、本実施形態に係る流速計測装置1は、この構成に限定されるものではない。
図2において、符号11は半導体レーザなどのレーザ光源、符号12はレーザ光源11からのレーザ光Lを分岐するビームスプリッタ、符号13はビームスプリッタ12により分岐された一方のレーザ光L2を反射するプリズムである。なお、プリズムに代えミラーを用いてもよい。出射部10は、これらレーザ光源11、ビームスプリッタ12、プリズム13から構成され、レーザ光源11から出射されたレーザ光Lを、ビームスプリッタ12及びプリズム13を介して2本のレーザ光L1、L2に分岐して出射する。レーザ光源11が発光するレーザ光の周波数は、特に限定されない。
符号21は液体レンズであり、本実施形態に係る流速計測装置1では、可変焦点レンズ系20はこの液体レンズ21により構成される。液体レンズ21の焦点距離fは、上記したように制御部40(図1参照)を使用して電圧制御により制御される。
符号31は液体レンズ21を介した散乱光Lsを集光する集光レンズ、符号32は液体レンズ21の焦点位置に受光口が位置する光ファイバ、33は光ファイバ32を介して散乱光Lsを受光するフォトディテクタである。本実施形態に係る流速計測装置1では、観察部30は、少なくとも、これら集光レンズ31、光ファイバ32及びフォトディテクタ33により構成される。
FIG. 2 is a diagram showing an example of a specific configuration of the
In FIG. 2,
このように構成された流速計測装置1は、レーザドップラー流速計(LDV:Laser Doppler Velocimetry)として機能する。このレーザドップラー流速計の原理を図3A及び図3Bに基づき簡単に説明する。
図3A及び図3Bに示すように、2本のレーザ光L1、L2の干渉によって生じる干渉縞Frを、流れ場Ff中の粒子Pが通過する際に、干渉縞の明暗に対応した散乱光Lsが生じる。このとき、光のドップラー効果によって散乱光Lsに強弱が生じる。散乱光Lsの光信号を観察部30のフォトディテクタ33で電気信号に変換し、制御部40において干渉縞通過時の周波数を得る。この方法は光を使用するため、光信号が発せられた瞬間の信号を取得できる。そのため、時間分解能が高い。
粒子Pの流速Uは、ドップラー周波数fdpと干渉縞Frの間隔dによって以下の式で決定される。
U=fdpd
従って、LDVを採用した実施形態に係る流速計測装置1は、非侵襲(非接触)で、時間分解能の高い計測方法といえる。
The flow
As shown in FIGS. 3A and 3B, when the particle P in the flow field Ff passes through the interference fringe Fr generated by the interference of the two laser beams L1 and L2, the scattered light Ls corresponding to the light and shade of the interference fringe. Occurs. At this time, the scattered light Ls becomes stronger or weaker due to the Doppler effect of light. The
The flow velocity U of the particle P is determined by the following equation by the Doppler frequency f dp and the interval d between the interference fringes Fr.
U = f dp d
Therefore, it can be said that the flow
ここで、本実施形態に係る流速計測装置1は、図4に示すように、液体レンズ21を採用し、制御部40の制御のもとで、液体レンズ21の焦点距離fを奥行き方向Ddに可変できる。例えば、図4中の点線は焦点距離が長くなるように液体レンズ21を制御したときのレーザ光L1、L2を示している。また、図4中の二点鎖線は焦点距離が短くなるように液体レンズ21を制御したときのレーザ光L1、L2を示している。
従来構成のLDVでは、固定焦点であるためプローブに対して奥行き方向Ddの流速を取得するために、プローブを奥行き方向Ddに対して動かす必要があった。つまり、従来構成のLDVでは、装置そのものを動かす必要があるので、装置に空間的な制約が生じる。これに対して、本実施形態に係る流速計測装置1では、液体レンズ21を使用した構成のLDVであるので、焦点距離を電気的に制御でき、計測する位置を、プローブを動かすことなく変更することができる。従って、奥行き方向Ddに対する空間的な制約が少なくなる。また、装置を空間的に動かすことが困難な場でも、装置を動かすことなく奥行き方向Ddに対する流速分布Vpを取得することが可能となる。更には、流れ場Ffにおける奥行き方向Ddの流速分布を瞬時にしてその場で計測可能となる。
Here, as shown in FIG. 4, the flow
Since the LDV having the conventional configuration has a fixed focus, it is necessary to move the probe in the depth direction Dd in order to acquire the flow velocity in the depth direction Dd with respect to the probe. That is, in the LDV having the conventional configuration, it is necessary to move the device itself, so that the device is spatially restricted. On the other hand, in the flow
<空間分解能について>
本実施形態に係る流速計測装置1は、液体レンズ21を用いたことで焦点距離を変化させることが可能であるが、焦点距離の変化に対して空間分解能が変化する。
<About spatial resolution>
The flow
図5に示すように、レーザ光L1、L2の波長をλ、レーザ光L1、L2の間隔とδ、液体レンズ21の焦点距離をf、液体レンズ21を介した後のレーザ光L1、L2の各ビーム径をDとすると、図6に示すレーザ光L1、L2の交差幅であるビームウエスト径φは、
φ=4λf/πnD=4λf/πD (nは屈折率であり、空気中を想定するとn=1)
であり、φは計測体積の径(x*y)に相当する。
As shown in FIG. 5, the wavelengths of the laser beams L1 and L2 are λ, the intervals and δ of the laser beams L1 and L2, the focal length of the
φ = 4λf / πnD = 4λf / πD (n is a refractive index, and n = 1 in the air)
And φ corresponds to the diameter (x * y) of the measurement volume.
ビームの交差角度θは、
θ=tan―1(0.5δ/f)
であり、フリンジスペース(干渉縞間隔)Δxは、
Δx=λ(2nsinθ)=λ(2sinθ)
であり、プローブボリューム長さ(レーザ光L1、L2が交差している部分の長さ)lは、
l=φ/sinθ
である。
プローブボリュームlの大きさが、すなわち、空間分解能になる。焦点の変化に伴いθの値も変化するため、ボリューム長さlも焦点変化に合わせて変化するといえる。そのため、lが小さくなると、その分空間を細かく計測できるようになるため、空間分解能が上がる。逆にlが大きくなると、空間をあまり細かく計測できないので、空間分解能が低下する。
The beam intersection angle θ is
θ = tan −1 (0.5δ / f)
And the fringe space (interference fringe spacing) Δx is
Δx = λ (2nsinθ) = λ (2sinθ)
And the probe volume length (the length of the portion where the laser beams L1 and L2 intersect) l is
l = φ / sin θ
Is.
The size of the
<空間分解能と不確かさについて>
本実施形態に係る流速計測装置1では、液体レンズ21を使って焦点距離を変化させる構成を採用する。従って、例えば液体レンズ21の焦点距離fを変化させながら計測を行う場合には、プローブボリューム長さlの値が小さいほど奥行き方向Ddの空間分解能が高くなる。つまり、焦点距離fの値が小さくなるとθの値が大きくなり、それに伴いsinθの値が大きくなるためプローブのボリューム長さlは小さくなる。つまり、焦点距離fが短くなる奥行き方向Ddの空間分解能が高く、プローブに近い部分の流速を高精度に取得可能である。
一方、図7に示した通り、焦点距離fが大きくなることによって、プローブボリュームが大きくなる。すなわち、分解能が低下する。このとき、計測している任意の位置において、プローブボリューム内で流速は一意に定まるため、プローブボリューム内で流速が分布を持つ場合、その分布は、計測している点における流速の平均値に対する不確かさとして表現される。
焦点距離fの変化に対する空間分解能の変化は、図7に示すように、10mm程度焦点が変化しても高々2%程度である。従って、本実施形態に係る流速計測装置1のごとく液体レンズ21を使って焦点距離を変化させる構成を採用しても、計測中に焦点距離を大幅に変化させない限りは,計測そのものの不確かさは大して大きくならないと考えられる。なお、図7は、前提条件として元のビーム径D=1mm、ビーム間隔δ=15mmとして算出している。
<About spatial resolution and uncertainty>
The flow
On the other hand, as shown in FIG. 7, the probe volume increases as the focal length f increases. That is, the resolution is reduced. At this time, since the flow velocity is uniquely determined within the probe volume at any measured position, if the flow velocity has a distribution within the probe volume, the distribution is uncertain with respect to the average value of the flow velocity at the measuring point. Expressed as
As shown in FIG. 7, the change in the spatial resolution with respect to the change in the focal length f is at most about 2% even if the focus changes by about 10 mm. Therefore, even if the configuration in which the focal length is changed by using the
また、焦点距離に応じて空間分解能が変化することを以下に示すように積極的に利用してもよい。 Further, the fact that the spatial resolution changes according to the focal length may be positively used as shown below.
<一実施形態に係る流速分布計測システム>
図8は本発明の他の実施形態に係る流速分布計測システム100の構成を示す概略図である。
図8に示すように、流速分布計測システム100は、壁101近傍の気体などの流体の流速分布Vpを計測する。
<Velocity distribution measurement system according to one embodiment>
FIG. 8 is a schematic diagram showing the configuration of a flow velocity
As shown in FIG. 8, the flow velocity
流速分布計測システム100は、上記の実施形態に係る流速計測装置1を、出射部10(図1参照)より出射された2本のレーザ光L1、L2が交差する領域が壁101近傍に位置するように、壁101内に埋め込んで構成される。
In the flow velocity
ここで、流速分布Vpは、壁101近傍に近いほど小さい値となるが、壁101近傍に近いほど焦点距離fが短くなってlが小さくなるため空間分解能は高くなり、図9に示すように壁101近傍における流速の不確かさは小さくなる.すなわち、エラーバーの幅は小さくなる。一方、流速分布Vpは、壁101近傍から離れるほど大きい値となるが、壁101近傍から離れるほど焦点距離fが長くなってlが大きくなるため空間分解能は低くなり、図9に示すように壁101近傍における流速の不確かさは大きくなる。すなわち,エラーバーの幅は大きくなる。なお、図9において、プロットした点は壁101近傍から所定距離(z)離れた各点の流速(u)であり、プロット点から生えている上下左右の細線がエラーバーの幅を示している。上下方向のエラーバーはlの大きさに伴う計測位置のエラーバーであり、左右方向のエラーバーが流速のエラーバーである。
Here, the flow velocity distribution Vp has a smaller value as it gets closer to the vicinity of the
また、従来構成のLDVでは、壁101近傍の流速分布Vpを取得するために、装置を動かすための高精度な位置決め装置が必要だった。また、プローブボリューム長さlの値よりも小さなサイズのセンサは従来から存在するが、流路の中にセンサを挿入する必要があり、流れを乱してしまっていた。
Further, in the LDV having the conventional configuration, in order to obtain the flow velocity distribution Vp near the
これに対して、本実施形態に係る流速分布計測システム100では、可変焦点レンズ系を使用するため、流速計測装置1を動かすことなく、そして非侵襲な計測方法であるため流れを乱すことなく、壁101近傍の流速分布Vpを計測できる。なお、本実施形態に係る流速分布計測システム100では、焦点距離の調整が1mm以下の精度で可能であることが確認されている。
On the other hand, in the flow velocity
<一実施形態に係る流体制御システム>
図10は本発明の更に別の実施形態に係る流体制御システム200の構成を示す概略図である。ここでは、典型的には航空機の翼に当該流体制御システム200を採用した例を示す。
図10において、符号201は壁の一態様である翼を示し、符号202は翼201の上面を示している。また、図中左側が翼201の前縁側である。
翼201の内部には本実施形態に係る流体制御システム200の主要部が搭載されている。
<Fluid control system according to one embodiment>
FIG. 10 is a schematic diagram showing the configuration of a
In FIG. 10,
The main part of the
流体制御システム200は、翼201近傍を流れる流体に当該流体の流れに影響を与える影響付与部210と、上記の実施形態に係る流速計測装置1とから主要部が構成され、更に影響付与部210と流速計測装置1との動作の同期を図るためのシンクロナイザ220と、制御部230とを有する。
The
ここで、影響付与部210は、例えば翼201内に埋め込まれ、流体を翼201の表面から高速で上方に吹き出す吹き出しデバイスにより構成することができる。なお、影響付与部210は、吹き出しデバイスだけでなく、例えばvortex generatorに代表される突起型デバイスや誘電体バリア放電プラズマアクチュエータ等により構成することができる。
流速計測装置1のプローブ2は、影響付与部210よりも翼201の後端側で、出射部10より出射された2本のレーザ光L1、L2が交差する領域が翼201近傍に位置するように、翼201内に埋め込んで構成される。なお、流速計測装置1は、影響付与部210より下流でなく、上流の翼201内に埋め込んでもよい。
制御部230は、例えばPCにより構成され、流速計測装置1により計測された流体の流速に基づき、影響付与部210による流体の流れに与える影響を制御する。シンクロナイザ220や制御部230は機体の胴体に配置してもよい。
Here, the
The
The
このように構成された流体制御システム200では、流速計測装置1が、翼201の表面上において速度変動が大きな流れに追従する粒子より生じる散乱光をリアルタイムで計測し、制御部230は、ドップラー信号があるしきい値を超えたとき、影響付与部210より、例えば高速の気体を吹き出して翼201表面上の流れに運動量を付加することで、流れを制御する。これにより、翼201の表面上の流れで生じている大きな変動を抑制することができる。そして、本実施形態に係るシステムでは、時系列的にL1およびL2が交差する領域で生じる粒子の散乱光の光信号を取得し、その信号に基づいて吹き出し等を行うことで、翼201の表面上の流れをリアルタイムに制御することが可能となる。リアルタイムの制御を可能とすることで、より精度よく翼201表面上における流れの剥離の抑制を行うことができるようになる。
In the
<本実施形態に係る流速計測装置の使用例>
図11は航空機の母翼301及び母翼301に対して展開可能に設けられるフラップ302の概略的斜視図を示している。図11はフラップ302が展開された状態を表している。
符号300は、上記の流速計測装置1そのものを微細加工(MEMS)により作成し、それらを複数並べて一つのMEMSセンサモジュールに構成したものである。MEMSセンサモジュール300は、例えばフラップ302表面の前縁側に前縁と平行になるように埋め込まれる。この位置は、フラップ302が母翼301に収納された状態、或いはフラップ302が母翼301から展開された状態であってもその周囲から直接観察できない場合がある。
<Example of use of flow velocity measuring device according to this embodiment>
FIG. 11 shows a schematic perspective view of a
典型的には、風洞試験室のような環境であり、かつ、壁に囲まれて計測窓もない場所で、フラップ302にMEMSセンサモジュール300を埋め込むことで母翼301とフラップ302の間を通過する気流の速度分布を取得することができる。
Typically, in an environment such as a wind tunnel test room, and where the
なお、本実施形態に係る流速計測装置1では、内視鏡のようなものを作成し、プローブを通して人の手が届かないような部分の流速の計測を実施することができる。
また、本実施形態に係る流速計測装置1を走行中の自動車の燃焼機関に挿し込んで、燃焼機関内における微粒子の動きから燃焼の様子を計測することができる。
更に、本実施形態に係る流速計測装置1を人間の皮膚から体内に挿入し、血管壁と面を合わせ、例えば、血管内を流れる赤血球の干渉縞通過時における散乱光を取得して、血流の速度分布を計測することができる。
In the flow
Further, the state of combustion can be measured by inserting the flow
Furthermore, the flow
<本実施形態に係る流速計測装置の応用例>
図12は本実施形態に係る流速計測装置の応用例を説明するための図であり、液体レンズ21を通して出射部及び観察部をみた状態を示している。
この応用例に係る流速計測装置401は、出射部としての第1及び第2の出射部10a、10bと、観察部としての第1及び第2の観察部30a、30bと、を有する。
第1の出射部10aは、2本のレーザ光L1、L2を出射し、第2の出射部10bは、2本のレーザ光L1、L2を結ぶ第1の直線l1と直交する第2の直線l2上より、2本のレーザ光L1、L2が交差する領域と同じ領域で交差する他の2本のレーザ光L3、L4を出射する。第1の観察部30aは、2本のレーザ光L1、L2に由来する散乱光を観察し、第2の観察部30bは、他の2本のレーザ光L3、L4に由来する散乱光を観察する。
<Application example of the flow velocity measuring device according to the present embodiment>
FIG. 12 is a diagram for explaining an application example of the flow velocity measuring device according to the present embodiment, and shows a state in which the emission part and the observation part are viewed through the
The flow velocity measuring device 401 according to this application example includes first and
The first emitting
例えば、第1及び第2の出射部10a、10bが出射するレーザ光を異なる波長とし、第1の観察部30aは、レーザ光L1、L2だけを入光するフィルタを設け、第2の観察部30bはレーザ光L3、L4だけを入光するフィルタを設けることで、それぞれ別個に、干渉縞を通過する粒子から発せられる散乱光を観察することが可能である。
For example, the laser beams emitted from the first and
この応用例に係る流速計測装置401では、制御部40(図1参照)における演算で壁の表面を流れる流体の方向とその方向に対する流体の流速分布を計測できる。 In the flow velocity measuring device 401 according to this application example, the direction of the fluid flowing on the surface of the wall and the flow velocity distribution of the fluid in the direction can be measured by the calculation in the control unit 40 (see FIG. 1).
<その他>
本発明は、上記の実施形態に限定されず、その技術思想の範囲内で変形して実施することができ、また応用して実施することもできる。そして、これらの実施の範囲も本発明は技術的範囲に属することは勿論である。
<Other>
The present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be modified and carried out within the scope of the technical idea thereof, or can be applied and carried out. And, it goes without saying that the scope of these implementations also belongs to the technical scope of the present invention.
1 :流速計測装置
10 :出射部
11 :レーザ光源
12 :ビームスプリッタ
13 :プリズム
20 :可変焦点レンズ系
21 :液体レンズ
30 :観察部
31 :集光レンズ
33 :フォトディテクタ
40 :制御部
100 :流速分布計測システム
101 :壁
200 :流体制御システム
210 :影響付与部
230 :制御部
401 :流速計測装置
D :ビーム径
Dd :奥行き方向
Ff :流れ場
Fr :干渉縞
L :レーザ光
L1 :レーザ光
L2 :レーザ光
L3 :レーザ光
L4 :レーザ光
Ls :散乱光
P :粒子
U :流速
Vp :流速分布
f :焦点距離
fdp :ドップラー周波数
l :プローブボリューム
l1 :第1の直線
l2 :第2の直線
λ :レーザ光L1、L2の波長
θ :交差角度
δ :ビーム間隔
φ :ビームウエスト径
1: Flow velocity measuring device 10: Emitting unit 11: Laser light source 12: Beam splitter 13: Prism 20: Variable focus lens system 21: Liquid lens 30: Observing unit 31: Condensing lens 33: Photo detector 40: Control unit 100: Flow velocity distribution Measuring system 101: Wall 200: Fluid control system 210: Influence giving part 230: Control part 401: Flow velocity measuring device D: Beam diameter Dd: Depth direction Ff: Flow field Fr: Interference fringe L: Laser light L1: Laser light L2: Laser light L3: Laser light L4: Laser light Ls: Scattered light P: Particle U: Flow velocity Vp: Flow velocity distribution f: Focal length fdp: Doppler frequency l: Probe volume l1: First straight line l2: Second straight line λ: Wavelengths of the laser beams L1 and L2 θ: Crossing angle δ: Beam interval φ: Beam waist diameter
Claims (10)
焦点距離を変化でき、前記出射部より出射された2本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、
計測対象である流体中を流れる粒子が、前記2本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際、その領域で生じる散乱光を観察するための観察部と
を具備する流速計測装置。 An emission part for emitting two laser beams,
A variable focus lens system capable of changing the focal length and intersecting two laser beams emitted from the emission unit;
When a particle flowing in a fluid to be measured passes through an interference fringe formed in an area where the two laser beams intersect, an observation section for observing scattered light generated in that area, Measuring device.
請求項1、2、3又は4に記載の流速計測装置。 The observation unit has a condenser lens that condenses the scattered light through the variable focus lens system, and a light receiving port is located at a focal position of the condensing lens, and receives the scattered light through the light receiving port. The flow velocity measuring device according to claim 1, 2, 3, or 4, comprising a photo detector.
を更に具備する請求項1、2、3、4又は5に記載の流速計測装置。 The flow velocity measuring device according to claim 1, further comprising a calculation unit that estimates the flow velocity of the fluid based on the frequency of the scattered light.
前記観察部が、前記2本のレーザ光に由来する散乱光と前記他の2本のレーザ光に由来する散乱光とを別個に観察する
請求項1、2、3、4、5又は6に記載の流速計測装置。 In addition to the two laser beams, the emission unit is in the same region as the region where the two laser beams intersect from a second straight line orthogonal to the first straight line connecting the two laser beams. Emits the other two laser beams that intersect at
The observation section separately observes scattered light originating from the two laser beams and scattered light originating from the other two laser beams. The flow velocity measuring device described.
2本のレーザ光を出射する出射部と、焦点距離を変化でき、前記出射部より出射された2本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、計測対象である流体中の粒子が前記2本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光を観察するための観察部とを有する流速計測装置を、前記出射部より出射された2本のレーザ光が交差する領域が前記壁近傍に位置するように、前記壁内に埋め込んだ流速分布計測システム。 A flow velocity distribution measuring system for measuring the flow velocity distribution of a fluid near a wall,
The emission part that emits two laser beams, the variable focus lens system that can change the focal length and intersects the two laser beams emitted from the emission part, and the particles in the fluid to be measured are A flow velocity measuring device having an observation part for observing scattered light generated when passing through an interference fringe formed in an area where the two laser lights intersect, the two laser lights emitted from the emitting part are A flow velocity distribution measuring system embedded in the wall so that an intersecting region is located near the wall.
2本のレーザ光を出射する出射部と、焦点距離を変化でき、前記出射部より出射された2本のレーザ光を交差させる可変焦点レンズ系と、計測対象である流体中を流れる粒子が前記2本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過した際に生じる散乱光を観察するための観察部とを有し、前記出射部より出射された2本のレーザ光が交差する領域が前記壁近傍に位置するように、前記影響付与部より上流もしくは下流で前記壁内に埋め込まれた流速計測装置と、
前記流速計測装置により計測された流体の流速に基づき、前記影響付与部による前記流体の流れに与える影響を制御する制御部と
を具備する流体制御システム。 An influence imparting portion that influences the flow of the fluid flowing near the wall,
The emission part that emits two laser beams, the variable focus lens system that can change the focal length and intersects the two laser beams emitted from the emission part, and the particles that flow in the fluid to be measured are And an observation unit for observing scattered light generated when passing through an interference fringe formed in a region where the two laser beams intersect, and the two laser beams emitted from the emission unit intersect with each other. A flow velocity measuring device embedded in the wall upstream or downstream of the impact imparting unit so that the region is located near the wall,
And a controller that controls the influence of the influence imparting unit on the flow of the fluid based on the flow velocity of the fluid measured by the flow velocity measuring device.
焦点距離を変化できる可変焦点レンズ系を介して前記出射された2本のレーザ光を交差させ、
計測対象である流体中を流れる粒子が、前記2本のレーザ光が交差する領域で形成される干渉縞を通過したときに生じる散乱光を観察する
流速計測方法。 Emits two laser beams,
The two emitted laser beams are crossed via a variable focus lens system capable of changing the focal length,
A flow velocity measuring method for observing scattered light generated when particles flowing in a fluid to be measured pass through an interference fringe formed in a region where the two laser beams intersect.
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