Discovery Sagaサイレントキーワード俯瞰

レーザ計測 / 画像処理 / PIV / 気泡流 / 乱流

気泡を含む流体の乱流中での移動現象は乱流スケールなどの多重化が起こり,従来の相似則的な取り扱いが適応できない複雑なメカニズムが存在する.それらの機構解明のために本研究では複合レーザイメージング技術を駆使し,詳細な実験データを得ることによって,実際の現象に促した精緻な物理モデルの構築する事を目途としている.昨年度の研究に引き続き,気泡を含む流れの微細構造の解明を目的として,周囲流体と気泡の持つマルチスケールの相互作用のメカニズムを明らかにした.
昨年度に完成させた一様剪断流路を用いた流動構造の実験を継続して行った.実験手法は昨年度と同様で,高速度ビデオカメラを用いた粒子画像流速計と,気液界面の乱反射による問題を回避するために,蛍光発光をするトレーサ粒子(以下,蛍光粒子と記す)を作成して用いた.また時系列で変化する気泡の形状と周囲流の相関を得るため,赤外線LEDを用いて気泡形状を投影図として捕らえる方法を採用した.さらに計測システムを気泡の運動と連動させるラグラジアン計測を行い,気泡の揺動の機構およびその際に気泡に加わる揚力の詳細が明らかにされた.一方,管内乱流中での気泡間の相互干渉と連続相の乱流構造変化を明らかにする目的で,矩形管内に1-2mm程度の気泡を多数添加し,同様の手法を用いて実験を行った.その結果,壁面近傍の局所ボイド率が高くなり,壁面と気泡との相互作用により強いせん断が生じ,壁面近傍の流れ方向平均速度が単相のときよりも増加することが確認された.またこのとき,壁面付近の局所ボイド率の増加に伴い管中央に局所ボイド率の低い領域が存在し,この領域では乱流強度に対する気泡の影響が小さいことがわかった.これらの現象は,気泡近傍の乱流エネルギ分布の変化に対応づけられ,メゾスケールの現象が流動場に与える影響が実験的に明らかにされた.

レーザ計測 / 非接触測定 / 速度計測 / 画像処理 / PIV

流動場の非接触多点計測において、面的な計測法として濃度相関法による粒子画像流速計は既に実用化され、多くの流動場の現象解明、流体機械の開発段階において重要な役割を果たしている.しかしながら乱流の遷移過程、軸対称噴流における縦渦のリブ構造など、3次元的な構造を有する流動場は多く、それらの3次元渦構造およびその構造がもたらす諸現象について未解明な部分が多い.本研究では,この様な諸問題を解決する方法の一つとして,多層のレーザシート光と複数のCCDカメラを用いて2次元速度ベクトル分布を奥行き方向の画像を同時刻に収録し、流動場の時空間分布を時系列に測定できる実用的な計測システムの開発することを目的としている.
平成11および12年度の研究成果をもとに,2方向から観測された2次元ベクトルから3次元ベクトルを再構成する手法を確立し、再構成されたベクトルの誤差の検討を実撮影およびシミュレーションの両面から行い、再構成アルゴリズムの最適化を行った.実流動場への適用例の一つとして,矩形流路内に傾斜して噴出する円形ジェットの流れ場の3次元構造の計測を行った.その結果,ステレオ法に多層レーザシート法を併用した際には,位置に関する校正の誤差が大きく,実時間計測には精度上の問題があることが判明した.3次元の渦構造の時系列変化を捉えるため,定常状態で,レーザシートをトラバースし,流れの移流時間より,渦構造を再構成する手法を確立した.これにより擬似的に多層レーザシート法と同様の計測結果が得られ,運動量拡散の微細構造の解析が可能となった.

【研究分担者】
吉田信俊	センサ応用事業部	課長(研究職/">(Kakenデータベース)