流体測定方法および装置
【課題】感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とすること。
【解決手段】流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得すること。
【解決手段】流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得すること。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の動的特性を測定する方法および装置に関するものであり、特に、自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験に適した流体測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の動的特性を測定するものとして、流体に接する物体表面の圧力分布を測定することで流体によりもたらされる圧力場を測定したり、流体内に光学的に発光または散乱光を観察可能な粒子（可視性の粒子）を散布して可視化し、流速や流れ方向等の空間挙動を測定するものが知られている。
例えば、圧力場の測定に関し、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料（Pressure-Sensitive paint: PSP）を用いた気流中の非定常圧力場測定が、自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験において注目されている。
この測定技術は、感圧塗料に含まれた色素の発光強度が酸素により消光する現象を利用したものである。
高速応答型の感圧塗料と、高速度カメラと高強度レーザ光源を組み合わせることにより、数ｋＨｚのサンプリングレートでの非定常圧力場測定が可能となってきている（例えば特許文献１等参照。）。
【０００３】
また、空間挙動の測定に関しても、数１０ｋＨｚのサンプリングレートによる時系列空間流速場の測定が、時系列粒子画像流速測定法（Time-Resolved Particle Image Velocimetry）等により可能となってきている。
この測定技術は、気流中に散布した粒子をレーザとカメラにより可視化し、その移動速度を画像から算出することで気流速度を求める手法である。
この手法も、自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験において注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような公知の流体の動的特性の測定技術は、個々に精緻に測定することは可能であるが、圧力場と速度場の両方を測定する場合、感圧塗料により圧力場を測定し、その後に粒子画像流速測定法により速度場を測定するというように、圧力場と速度場を各々別々の試験において測定していた。
すなわち、それぞれの測定は、それぞれ最適化された環境と独自の測定装置で行なう必要があり、同一事象に対して同時に行うことは困難であった。
具体的には、速度場の測定で使用される粒子は、アルコール粒子、油滴粒子、アルミナや二酸化チタンなどの固体粒子に大別されるが、アルコール粒子は感圧塗料を溶かし、油滴粒子は感圧塗料表面に付着し酸素透過性を阻害し、固体粒子は静電気等により感圧塗料に付着し励起光および発光測定を妨げるとともに、感圧塗装面を物理的に破壊するため、これらの粒子の存在下では感圧塗料による圧力場の測定を精度良く行うことはできず、各々別々の試験において測定せざるを得なかった。
【０００６】
また、可視性の粒子の散布による速度場の測定で使用するレーザ等の光源の投射光および粒子からの散乱光または発光と、感圧塗料による圧力場の測定で使用する感圧塗料に投射する励起光および感圧塗料からの発光がそれぞれ干渉する虞があり、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子の散布による速度場の測定の両者で精度が確保できず、同時に行うことが困難な要因となっていた。
そして、別々の試験で得られた圧力場と速度場の測定結果では、時間方向の圧力場と速度場の相関情報を付加情報なしに直接的には得られないことから、特に時間的に変動する現象の流体の動的特性の測定において、圧力場と速度場の因果関係を明確にすることは困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とする流体測定方法および装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本請求項１に係る発明は、流体の動的特性を測定する流体測定方法であって、流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを有し、前記感圧塗料を流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化するものとし、前記可視性の粒子を昇華性粒子とし、前記圧力場測定工程および速度場測定工程を同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得することにより、前記課題を解決するものである。
【０００９】
本請求項２に係る発明は、請求項１に係る流体測定方法の構成に加え、前記速度場測定工程における粒子の可視化のための光源の投射光、粒子からの散乱光または発光、前記圧力場測定工程における感圧塗料の励起のための光源の投射光および感圧塗料の発光の、それぞれの光学的干渉の影響を排除する干渉排除工程を有することにより、前記課題を解決するものである。
【００１０】
本請求項３に係る発明は、請求項２に係る流体測定方法の構成に加え、前記干渉排除工程が、光学フィルタにより行われることにより、前記課題を解決するものである。
【００１１】
本請求項４に係る発明は、請求項２または請求項３に係る流体測定方法の構成に加え、前記干渉排除工程が、前記圧力場測定工程および速度場測定工程の演算処理により行われることにより、前記課題を解決するものである。
【００１２】
本請求項５に係る発明は、流体の動的特性を測定する流体測定装置であって、流体に接する物体表面に設けられ、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料と、流体内に可視性の昇華性粒子を散布する粒子散布手段と、前記感圧塗料に励起用の光を投射する励起光源と、前記感圧塗料の発光を測定する圧力場測定手段と、前記昇華性粒子を可視化するための光を投射する可視化光源と、前記昇華性粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段と、前記圧力場測定手段および速度場測定手段の同一事象に対する測定情報を時間方向で相関した情報として取得する情報取得手段とを有することにより、前記課題を解決するものである。
【００１３】
本請求項６に係る発明は、請求項５に係る流体測定装置の構成に加え、前記圧力場測定手段が、前記可視化光源の投射光を直接受光せず、前記速度場測定手段が、前記励起光源の投射光を直接受光しないよう、それぞれ配置され、前記速度場測定手段および圧力場測定手段が、それぞれ観察すべき光以外を低減する光学フィルタを備えていることにより、前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本請求項１に係る流体測定方法および本請求項５に係る流体測定装置によれば、可視性の粒子を昇華性粒子として圧力場測定および速度場測定を同時に行うことによって、昇華性粒子が感圧塗料に接触すると即座に昇華して気体となるため、感圧塗料を溶かすことがなく、付着することもなく、また、物理的に破壊することもない。
このことで、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことが可能となり、かつ、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることができる。
【００１５】
本請求項２および本請求項６に記載の構成によれば、光学的干渉の影響を排除することで、圧力場測定と速度場測定の両者の精度をさらに向上させて同時に行うことが可能となり、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係をさらに明確にすることができる。
本請求項３および本請求項６に記載の構成によれば、光学フィルタによって、測定時の干渉排除工程の処理負担を軽くし、正確に光学的干渉の影響を排除することができる。
本請求項４に記載の構成によれば、光学フィルタがない状態あるいは光学フィルタによって排除し切れない光学的干渉の影響を演算処理によって排除することが可能となり、圧力場測定と速度場測定の両者の精度がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の１実施態様である流体測定装置の（ａ）側方から見た概略説明図、（ｂ）矩形ダクト部近傍を上方から見た概略説明図。
【図２】本発明の１実施例で測定した擬似衝撃波の模式図。
【図３】本発明の１実施例の粒子散布ノズルの説明図。
【図４】本発明の１実施例の同期システムの概略図。
【図５】本発明の１実施例の同期システムの同期タイミングの説明図。
【図６】本発明の１実施例の感圧塗料測定校正の工程説明図。
【図７】本発明の１実施例の粒子の散乱光画像。
【図８】本発明の１実施例で測定した圧力場の分布画像および速度場のベクトル画像。
【図９】非定常圧力センサと感圧塗料測定の圧力分布の比較図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の流体測定方法は、流体の動的特性を測定する流体測定方法であって、流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを有し、前記感圧塗料を流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化するものとし、前記可視性の粒子を昇華性粒子とし、前記圧力場測定工程および速度場測定工程を同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得するものであって、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とするものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。
【００１８】
本発明の流体測定装置は、流体の動的特性を測定する流体測定装置であって、流体に接する物体表面に設けられ、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料と、流体内に可視性の昇華性粒子を散布する粒子散布手段と、前記感圧塗料に励起用の光を投射する励起光源と、前記感圧塗料の発光を測定する圧力場測定手段と、前記昇華性粒子を可視化するための光を投射する可視化光源と、前記昇華性粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段と、前記圧力場測定手段および速度場測定手段の同一事象に対する測定情報を時間方向で相関した情報として取得する情報取得手段とを有するものであって、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とするものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。
【００１９】
本発明に係る流体測定方法および流体測定装置の一実施態様を説明する。
流体測定装置１００は、図１に概略的に示すように、矩形ダクト１０１の一方の端部にバルブ１０３を介して吸引手段１０２を接続し、他方の端部に粒子供給容器１０８を介して気流形成ノズル１０４を接続して、矩形ダクト１０１内を測定すべき流体の圧力場と速度場を形成する風洞とするように構成されている。
気流形成ノズル１０４には気体供給手段１０５から測定すべき流体となる気体が供給されるとともに、気流形成ノズル１０４の上流に設けられた粒子供給容器１０８には粒子散布ノズル１０７が設けられ、通過する気体に速度場を光学的に測定するための昇華性粒子１３１が散布される。散布される昇華性粒子１３１は、粒子供給タンク１０６から供給される。
【００２０】
矩形ダクト１０１は、少なくとも隣接する２面がアクリル樹脂等の透明の材質で形成され、少なくとも対向面と隣接面が透明である面の内面側には感圧塗料１１１が塗布されている。
矩形ダクト１０１の外部周囲には、感圧塗料１１１に励起用の光を矩形ダクト１０１内に投射する励起光源１１３、感圧塗料１１１の発光を測定する圧力場測定手段である高速度カメラ１１２、昇華性粒子１３１を可視化するための光を矩形ダクト１０１内に投射する可視化光源１２１、昇華性粒子１３１からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段である高速度カメラ１２２が配されている。
励起光源１１３、圧力場測定手段である高速度カメラ１１２および速度場測定手段である高速度カメラ１２２は、図１（ｂ）に示すように、感圧塗料１１１が塗布された面と対向する透明な面の外側に配置され、可視化光源１２１は、図１（ａ）に示すように、感圧塗料１１１が塗布された面と隣接する透明な面の外側に配置されている。
【００２１】
圧力場測定工程は、測定対象に想定される非定常現象の周波数よりも十分に高速応答かつ十分な発光量を生じさせうる感圧塗料１１１と、十分な空間解像度を持ち時系列に連続に多数の画像を取得することが可能な高速度カメラ１１２からなる圧力場測定手段と、高速応答型の感圧塗料１１１に含まれる感圧色素の吸収線波長を含む十分に励起光量の大きい励起光源１１３とを用いる。
感圧塗料１１１の発光と励起光源１１３が投射する感圧塗料１１１の励起光は、それぞれ光学的に分離可能な光とし、かつ、後述する速度場測定工程で使用する可視化光源１２１の投射光と昇華性粒子１３１からの散乱光または発光とも光学的に分離可能な光とする。
高速度カメラ１１２には、感圧塗料１１１からの発光以外の光を除去する光学フィルタ１１４を設置し、感圧塗料１１１の発光を選択的に取得するとともに、速度場測定工程に起因する光の影響を除去する。
【００２２】
これらの手段を用いて、静的かつ既知の圧力場の複数条件について、感圧塗料１１１を施した測定対象発光画像を取得し、既知の圧力情報と、取得した発光画像の関係を使用することで、測定対象とする感圧塗料１１１の圧力測定のための校正式を得る。
感圧塗料１１１の吸収する波長域に、速度場測定工程の可視化光源１２１または粒子１３１からの散乱光または発光の波長が存在する場合は、これらの光を測定時と同一または可能な範囲で類似の条件で発生させ、測定対象とする感圧塗料１１１の圧力測定のための校正式および基準画像を得る。
【００２３】
速度場測定工程は、流体現象が変化しないと仮定できる程度に極短時間の時間間隔で連続的に２発以上の照射が可能であり、かつ測定対象に想定される非定常現象の周波数よりも十分に高周波でその２発一組のレーザ照射を連続的に可能で、かつ十分な輝度を有する高繰り返しレーザ照射によってシート状のレーザ照射光を形成可能なレーザ発振手段からなる可視化光源１２１を用い、投射されるレーザ照射光により測定対象領域を気流と共に通過する昇華性粒子１３１を照射する。
照射されたレーザ照射光の粒子１３１からの散乱光または発光は、十分な空間解像度を持ち、時系列に連続に多数の画像を取得でき、かつ高繰り返しレーザと同期を取ることが可能な高速度カメラ１２２からなる速度場測定手段を用いて撮影する。
粒子１３１を照射するレーザ光および昇華性粒子１３１からの散乱光または発光は、励起光源１１３が投射する感圧塗料１１１の励起光および感圧塗料１１１の発光と光学的に分離可能なものとする。
【００２４】
高速度カメラ１２２には、昇華性粒子１３１の散乱光または発光以外を除去する光学フィルタ１２３を設置し、昇華性粒子１３１の散乱光または発光を選択的に取得する。
気流中に散布される昇華性粒子１３１は、感圧塗料１１１の表面を汚染せず、圧力場測定工程を妨げないドライアイス等の粒子を用いる。
昇華性粒子１３１の供給および散布においては、単一系統または複数系統の供給系を使用する。粒子散布ノズル１０７は、昇華性粒子１３１の直径を変更可能とし、かつ一様な昇華性粒子１３１の散布を可能とする単一孔または多孔を有するものとする。
【００２５】
昇華性粒子１３１の一部が気流中で昇華し、測定対象とする気流の物理条件が変化する場合に備えて、気流の総温、総圧、組成、音速などの物理量を測定可能とする測定系を設置し、これらの物理量を測定し、気流条件の変化量を測定後に補正可能とする。
測定対象となる気流は、昇華性粒子１３１を使用することによる気流変化の影響をあらかじめ予測でき、かつ、その影響を最小とするように水分の凝縮の影響を抑制できる乾燥気体を使用する。
この乾燥気体は、組成変化による流体物理量の影響を考慮し、レイノルズ数およびマッハ数等の目的とする流体現象を支配する無次元数を目的の条件と同一または類似とする気体組成、総温および総圧を有する混合気体であり、気体供給手段１０５に蓄えられ、あるいは生成される。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明に係る流体測定方法および流体測定装置の具体的な一実施例について以下に説明する。
＜測定対象＞
図２に示すような擬似衝撃波と呼ばれる超音速流中の衝撃波群を対象として、壁面圧力場と空間速度場を測定した。矩形ダクト１０１の一面を感圧塗料１１１にて塗装し、圧力場を測定した。圧力場を測定した壁面と平行であり、かつ、矩形ダクト１０１の中央を通る断面を対象として速度場を測定した。
【００２７】
＜実験装置＞
本実施例の、非定常感圧塗料測定と時系列粒子画像流速測定を同時に行ったシステムにおいては、図１に示す上述した一実施態様の流体測定装置１００の、気体供給手段１０５としてエアーバック、気流形成ノズル１０４として超音速ノズル、吸引手段１０２として真空タンクを用いた。
粒子供給タンク１０６を二酸化炭素ボンベとし、粒子散布ノズル１０７から散布される昇華性粒子１３１をドライアイスの微粉末とした。
最上流のエアーバックは、乾燥空気を充填するためのものである。湿り空気を使用する場合、ドライアイス供給時に、湿り空気中の水分が凝縮し測定の妨げとなることから、乾燥空気を使用した。粒子供給容器１０８には、２系統の粒子供給系を設置した。超音速ノズルは設計マッハ数が２．０である。
【００２８】
測定部の矩形ダクト１０１の上板は金属製であり、底板と２枚の側板のうちカメラ側の１枚は透明アクリル製である。残りの側板は金属製とし、内面側に高速応答型の多孔質タイプの感圧塗料１１１を塗装した。
下流のバルブ１０３は手動式のバタフライバルブである。このバルブ１０３を開けることで、エアーバック中の乾燥空気および供給したドライアイスが超音速ノズルを通過して加速される。加速された気流は、測定部の矩形ダクト１０１を通過して真空タンクに吸い込まれる。
【００２９】
＜感圧塗料測定系＞
感圧塗料測定系は、上述の感圧塗料１１１の塗装面に加え、励起光源１１３と圧力場測定手段である高速度カメラ１１２より構成される。
感圧塗料１１１の塗装面は、以下のように製作した。使用した板材はＡｌ−Ｍｇ合金（A5052）である。この板材を陽極として、酸性電解液（硫酸、シュウ酸、リン酸）中で通電した。このようにして、表面をアルマイト加工することで、板材表面に陽極酸化アルミニウム皮膜を形成した。陽極酸化処理後、模型表面の水和物を除去するために、板材をリン酸溶液中に浸漬した。さらに、リン酸を取り除くために、蒸留水への浸漬を数度行った。感圧塗料色素には、［Ｒｕ（ｄｐｐ）３］２＋を使用し、ジクロロメタンを溶媒として、感圧塗料色素を含む溶液を作成した。上記の処理を施した板材をこの感圧塗料色素を含む溶液に浸漬することで、感圧塗料色素を板材に吸着させた。乾燥させた後、ステアリン酸をヘキサンに溶かした溶液に、感圧色素を吸着させた板材を浸漬することで疎水化処理を施した。
【００３０】
励起光源１１３には、後述する粒子画像流速測定法で使用する光源とは異なる波長の光を使用した。感圧塗料測定用の励起光源１１３は、発光波長が４５０から４５５ｎｍである半導体レーザを使用した。リキッドライトガイドに接続された照射器から、測定部である矩形ダクト１０１の側壁の透明アクリル窓を通して感圧塗料１１１の塗装された壁面を照射した。
感圧塗料１１１からの発光を測定する高速度カメラ１１２は、レンズ（Nikkor 50 mm f/1.2、Nikon）を装着したＣＭＯＳ高速度カメラ（Phantom V7.3、 Vision research）を用い、感圧塗料１１１の発光以外の光を除去するための光学フィルタ１１４として、バンドパスフィルタ（O58フィルタ）をレンズ前面に取り付けた。
【００３１】
＜粒子画像流速測定系＞
粒子画像流速測定系は、昇華性粒子１３１としてドライアイス粒子をトレーサ粒子とする粒子供給系、トレーサ粒子を可視化するためのシート状のレーザ照射光を投射するレーザシート系、トレーサ粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段である高速度カメラ１２２より構成される。
粒子供給系は、粒子供給タンク１０６である液化二酸化炭素ボンベ、粒子供給容器１０８、粒子散布ノズル１０７より構成した。
粒子散布ノズル１０７は、図３に示すように、微小孔１３４を有する噴射器１３２および該噴射器１３２下流部の金属管１３３より構成される。本実施例では、液化二酸化炭素を直径１ｍｍの微小孔１３４より噴射させることでドライアイス粒子を供給した。直径１ｍｍの微小孔１３４の下流には、多数の側孔１３５を有する金属管１３３を設置した。この金属管１３３を設置することにより、ドライアイス粒子の成長を促すことができ、また、気流へ一様に散布することも可能となる。
【００３２】
レーザシート系の可視化光源１２１には、感圧塗料１１１の発光波長とは異なる５３２ｎｍの高繰り返しダブルパルスネオジムヤグ（Nd:YAG）レーザ（１０ｋＨｚ時の定格出力１０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、LDP-200MQG DUAL DIODE PUMPED LASER、LEE LASER）を使用した。本可視化光源１２１は、２つのレーザヘッドを有し、それぞれのレーザヘッドより短い時間間隔でレーザ光を照射することで、短い時間間隔で２発のレーザ光を照射することができる。シリンドリカルレンズを含むレンズ系によりシート状のレーザ照射光を形成し、透明アクリルである矩形ダクト１０１の底板より照射した。
シート状のレーザ照射光によって照射されるドライアイス粒子からの散乱光を測定する高速度カメラ１２２は、レンズ（Nikkor 105mm f/2、 Nikon）を装着したＣＭＯＳ高速度カメラ（Phantom V710、 Vision research）を用いた。
レンズ前面に、感圧塗料１１１測定の励起光および発光を除去するための光学フィルタ１２３として、干渉フィルタ（５３２ｎｍ透過）を装着しドライアイス粒子からの散乱光を選択的に高速度カメラ１２２にて撮影した。
【００３３】
＜同期システム＞
図４に、感圧塗料測定系（ＰＳＰ）と粒子画像流速測定系（ＰＩＶ）の同期システムの概略図を示す。
粒子画像流速測定法は、その方式が複数存在し、方式ごとに、カメラとレーザの同期方法が異なるが、本実施例では、１フレームに１露光となる連続した２フレームを撮影する方式で粒子画像を撮影した。信号発生器である高速度カメラ同期信号装置（High speed controller）より、４系統の信号を発生する。
１系統目は、粒子画像流速測定システムの１時刻目のレーザに向かう信号（Ｑ１）である。この信号は、途中遅延信号発生器（ＤＧ５３５）において２系統に分岐される。遅延発生器より分岐された１系統は遅延されることなくＬａｓｅｒ１に入力される。残りの１系統には、遅延信号発生器により遅延された信号を出力する。この遅延された信号は、感圧塗料測定用のカメラの同期信号として入力される。
高速度カメラ同期信号装置より出力される２系統目（Ｑ２）は、直接Ｌａｓｅｒ２に入力される。高速度カメラ同期信号装置より出力される２系統（Ｑ１、Ｑ２）により、２発で一組のレーザの発振間隔は設定される。
【００３４】
高速度カメラ同期信号装置より出力される３系統目（ｃａｍ１）は、粒子画像流速測定法用カメラの同期信号として入力される。この３系統（Ｑ１、 Ｑ２、 ｃａｍ１）により、粒子画像流速測定法用カメラとレーザの同期が取られる。また、遅延発生器より分岐した感圧塗料測定用カメラに向かう遅延信号とこれら３系統（Ｑ１、 Ｑ２、 ｃａｍ１）により、粒子画像流速測定系と感圧塗料測定系の同期が取られる。
高速度カメラ同期信号装置より出力される４系統目（Trigger）は、測定開始のタイミングを入力する信号である。実施例では、試験部の圧力値をトリガーとするために、圧力測定系の電圧信号を基準として信号発生器（Pulse Generator）よりトリガー信号を発生させ、その信号と元に、高速度カメラ同期信号装置より測定開始のトリガー信号を発生した。これらの信号は３分岐され、１系統は粒子画像流速測定用カメラに、１系統は感圧塗料測定用カメラに、最後の１系統は記録用としてデータ記録用ロガー（WE7000）に送られる。
【００３５】
感圧塗料測定用カメラと粒子画像流速測定用カメラの撮影画像は、イーサネット（登録商標）ケーブルを介してそれぞれの測定用ＰＣに送られる。
図５は、上述の同期システムによって実現した感圧塗料測定カメラ（ＰＳＰ ＣＡＭＥＲＡ）と粒子画像流速測定用カメラ（ＰＩＶ ＣＡＭＥＲＡ）と２台のレーザ（ＬＡＳＥＲ１、ＬＡＳＥＲ２）の同期タイミングを示している。線の立ち上がっている時間が、カメラに関しては露光時間を表し、レーザに関しては発光している時間を表す。
【００３６】
＜感圧塗料測定校正方法およびデータ処理方法＞
感圧塗料測定の校正係数の導出は以下の手順で行った。まず、励起光および照明のない状態にて感圧塗料塗装面の画像を撮影する。これをダーク画像と呼ぶ。その後、測定部の圧力を１０ｋＰａ間隔で真空ポンプおよび乾燥空気により変化させる。それぞれの圧力条件下において、励起光源を照射し、感圧塗料塗装面の発光画像を撮影する。これを１０ｋＰａから大気圧までの約１０点について行う。
撮影した発光画像から、ダーク画像を減じ、ノイズ成分の除去を行う。ダーク画像を減じた各圧力下の発光画像群を平均化処理する。これら平均発光画像の大気圧状態（Ｐｒｅｆ）の発光強度画像を基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）とする。各圧力時の平均の発光強度画像（Ｉ）で基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）を除し、両者の強度比画像（Ｉｒｅｆ／Ｉ）を得る。得られた感圧塗料発光強度画像と測定時の圧力データを利用し、校正係数の算出を行う。各発光強度画像とダーク画像は、２００枚の画像を取得し平均化することで得た。発光強度比と圧力の関係は、スタン−ボルマー（Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ）式で表される。校正においては、スタン−ボルマー式を圧力について変形した式の係数部を校正時の既知の圧力と発光強度比から求めた。測定においては、発光強度比を測定し、発行強度比から変形した式に基づき圧力場を求めた。
校正式を得る行程を図６に示す。本実施例においては、測定部内での校正係数のばらつきも考慮し、図６の行程に基づき、一定領域ごとに校正係数を求めた。
【００３７】
測定においては、まず、大気圧下で、ダーク画像、基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）を撮影した。粒子画像流速測定で使用するレーザ光が、感圧塗料の吸収帯域に入ることから、基準発光強度画像を撮影する際には、感圧塗料測定の励起光に加え、粒子画像流速測定のシート状のレーザ照射光も照射して基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）を撮影した。その後、風洞を始動させ、通風画像（Ｉ）を撮影した。ダーク画像を基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）と通風画像（Ｉ）から減じた後、基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）と通風画像（Ｉ）の強度比（Ｉｒｅｆ／Ｉ）を求めた。この強度比から圧力を算出した。
【００３８】
＜粒子画像流速測定データ処理方法＞
粒子画像流速測定では、図７のような粒子の散乱光画像を取得した。トレーサ粒子を流さず、シート状のレーザ照射光のみを照射した状態で測定部を撮影した画像を背景画像とした。粒子の散乱光画像から、この背景画像を減じたものを対象に処理を行った。１時刻目の画像から６４ｐｉｘｅｌ×６４ｐｉｘｅｌの領域を切り出し、２時刻目の同領域の画像と相関法によりパターンマッチングを行った。最も相関値が高くなる移動量を粒子の移動距離とした。この移動距離を１時刻目と２時刻目のレーザ照射の時間間隔で割ることにより、粒子の移動速度を算出した。
【００３９】
＜結果＞
図８に、感圧塗料測定系と粒子画像流速測定系の複合システムによって測定した圧力場と速度場を時刻順に図８（ａ）から図８（ｄ）に示す。上段の分布図は圧力場を表し、下段のベクトル図は速度場を表す。測定開始時刻を０ｓとして、圧力場と速度場の測定時刻を図の左上に示す。気流は左から右に流れている。圧力分布は、実際はカラー画像であり、色が赤に近い（右よりの濃度の色）ほど圧力が高く、青に近い（左よりの濃度の色）ほど圧力が低いことを示す。時間の経過と共に、下流側から圧力が上昇していることが分かる。また、圧力変化の切り替わりは明瞭であり、衝撃波によって圧力が変化していることがうかがわれる。
下段の速度ベクトル図は、実際はカラー画像であり、色が赤に近いほど高速であることを表し、青に近いほど低速であることを示す（図８（ａ）の中心付近の濃い色が赤、図８（ｄ）の上下端付近の濃い色が青である。）。Ｔ＝１．００００ｓにおいては、ほぼ全領域において、ベクトルの色は赤であり、超音速気流であることが分かる。同時刻の圧力分布では、同位置においても、圧力上昇を見られる。
速度ベクトルのデータから、壁面において圧力上昇があっても、ダクト中央部は高速気流が流れており、衝撃波はダクト中央部の速度場測定領域には達していないことが分かる。Ｔ＝１．５６５ｓに達すると、速度ベクトル図においても、図中右側の下流に衝撃波が存在し、衝撃波と干渉した壁面近傍の境界層がはがれ、低速領域が存在していることが分かる。さらに時刻が進むと、図８（ｃ）や図８（ｄ）のように、ベクトルの色は緑色（中心付近の明るい色）に切り替わり、気流速度は圧力とは反対に低下することが分かる。
【００４０】
感圧塗料測定の応答特性が、ドライアイス粒子によって失われていないことを示すために、図９に非定常圧力センサ（Ｋｕｌｉｔｅ社製）と感圧塗料測定の圧力分布の比較を示す。図９において縦軸は、大気圧で無次元化した壁面圧力を表し、横軸は、測定時刻を表す。濃い線（上方側で遷移する）は非定常圧力センサの測定結果であり、薄い線（下方側で遷移する）は感圧塗料測定の結果である。一部拡大した下段の図に示すように、両者の変動の形は良く一致しており、バイアス誤差を一定量含むものの、非定常感圧塗料測定の応答特性がドライアイス粒子によって失われていないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る流体測定方法および流体測定装置は、航空宇宙分野をはじめとし、鉄道、自動車などの輸送機械、空調機、ファン、風車などの流体機械、エンジン、医療分野および化学プラント等で使用される管内流れなどの広い分野にわたり、非定常圧力場と非定常速度場の相関する振動や騒音、金属疲労などの問題を生じさせる流れ場の測定に対して利用可能である。
これらの分野において、非定常圧力場を生じさせる非定常流れの空間情報を速度場から取得することは、その原因となるメカニズム、形状を特定することを容易にする。結果として、これらの分野における機械の設計や効率の改善、騒音や振動の低減など多様な目的で用いることができる基本的な技術である。
【符号の説明】
【００４２】
１００ ・・・ 流体測定装置
１０１ ・・・ 矩形ダクト
１０２ ・・・ 吸引手段
１０３ ・・・ バルブ
１０４ ・・・ 気流形成ノズル
１０５ ・・・ 気体供給手段
１０６ ・・・ 粒子供給タンク
１０７ ・・・ 粒子散布ノズル
１０８ ・・・ 粒子供給容器
１１１ ・・・ 感圧塗料
１１２ ・・・ 高速度カメラ
１１３ ・・・ 励起光源
１１４ ・・・ 光学フィルタ
１２１ ・・・ 可視化光源
１２２ ・・・ 高速度カメラ
１２３ ・・・ 光学フィルタ
１３１ ・・・ 昇華性粒子
１３２ ・・・ 噴射器
１３３ ・・・ 金属管
１３４ ・・・ 微小孔
１３５ ・・・ 側孔
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の動的特性を測定する方法および装置に関するものであり、特に、自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験に適した流体測定方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流体の動的特性を測定するものとして、流体に接する物体表面の圧力分布を測定することで流体によりもたらされる圧力場を測定したり、流体内に光学的に発光または散乱光を観察可能な粒子（可視性の粒子）を散布して可視化し、流速や流れ方向等の空間挙動を測定するものが知られている。
例えば、圧力場の測定に関し、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料（Pressure-Sensitive paint: PSP）を用いた気流中の非定常圧力場測定が、自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験において注目されている。
この測定技術は、感圧塗料に含まれた色素の発光強度が酸素により消光する現象を利用したものである。
高速応答型の感圧塗料と、高速度カメラと高強度レーザ光源を組み合わせることにより、数ｋＨｚのサンプリングレートでの非定常圧力場測定が可能となってきている（例えば特許文献１等参照。）。
【０００３】
また、空間挙動の測定に関しても、数１０ｋＨｚのサンプリングレートによる時系列空間流速場の測定が、時系列粒子画像流速測定法（Time-Resolved Particle Image Velocimetry）等により可能となってきている。
この測定技術は、気流中に散布した粒子をレーザとカメラにより可視化し、その移動速度を画像から算出することで気流速度を求める手法である。
この手法も、自動車や鉄道等の陸上輸送機および航空宇宙分野の風洞実験において注目されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２８６５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記のような公知の流体の動的特性の測定技術は、個々に精緻に測定することは可能であるが、圧力場と速度場の両方を測定する場合、感圧塗料により圧力場を測定し、その後に粒子画像流速測定法により速度場を測定するというように、圧力場と速度場を各々別々の試験において測定していた。
すなわち、それぞれの測定は、それぞれ最適化された環境と独自の測定装置で行なう必要があり、同一事象に対して同時に行うことは困難であった。
具体的には、速度場の測定で使用される粒子は、アルコール粒子、油滴粒子、アルミナや二酸化チタンなどの固体粒子に大別されるが、アルコール粒子は感圧塗料を溶かし、油滴粒子は感圧塗料表面に付着し酸素透過性を阻害し、固体粒子は静電気等により感圧塗料に付着し励起光および発光測定を妨げるとともに、感圧塗装面を物理的に破壊するため、これらの粒子の存在下では感圧塗料による圧力場の測定を精度良く行うことはできず、各々別々の試験において測定せざるを得なかった。
【０００６】
また、可視性の粒子の散布による速度場の測定で使用するレーザ等の光源の投射光および粒子からの散乱光または発光と、感圧塗料による圧力場の測定で使用する感圧塗料に投射する励起光および感圧塗料からの発光がそれぞれ干渉する虞があり、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子の散布による速度場の測定の両者で精度が確保できず、同時に行うことが困難な要因となっていた。
そして、別々の試験で得られた圧力場と速度場の測定結果では、時間方向の圧力場と速度場の相関情報を付加情報なしに直接的には得られないことから、特に時間的に変動する現象の流体の動的特性の測定において、圧力場と速度場の因果関係を明確にすることは困難であった。
【０００７】
そこで、本発明は、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とする流体測定方法および装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本請求項１に係る発明は、流体の動的特性を測定する流体測定方法であって、流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを有し、前記感圧塗料を流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化するものとし、前記可視性の粒子を昇華性粒子とし、前記圧力場測定工程および速度場測定工程を同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得することにより、前記課題を解決するものである。
【０００９】
本請求項２に係る発明は、請求項１に係る流体測定方法の構成に加え、前記速度場測定工程における粒子の可視化のための光源の投射光、粒子からの散乱光または発光、前記圧力場測定工程における感圧塗料の励起のための光源の投射光および感圧塗料の発光の、それぞれの光学的干渉の影響を排除する干渉排除工程を有することにより、前記課題を解決するものである。
【００１０】
本請求項３に係る発明は、請求項２に係る流体測定方法の構成に加え、前記干渉排除工程が、光学フィルタにより行われることにより、前記課題を解決するものである。
【００１１】
本請求項４に係る発明は、請求項２または請求項３に係る流体測定方法の構成に加え、前記干渉排除工程が、前記圧力場測定工程および速度場測定工程の演算処理により行われることにより、前記課題を解決するものである。
【００１２】
本請求項５に係る発明は、流体の動的特性を測定する流体測定装置であって、流体に接する物体表面に設けられ、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料と、流体内に可視性の昇華性粒子を散布する粒子散布手段と、前記感圧塗料に励起用の光を投射する励起光源と、前記感圧塗料の発光を測定する圧力場測定手段と、前記昇華性粒子を可視化するための光を投射する可視化光源と、前記昇華性粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段と、前記圧力場測定手段および速度場測定手段の同一事象に対する測定情報を時間方向で相関した情報として取得する情報取得手段とを有することにより、前記課題を解決するものである。
【００１３】
本請求項６に係る発明は、請求項５に係る流体測定装置の構成に加え、前記圧力場測定手段が、前記可視化光源の投射光を直接受光せず、前記速度場測定手段が、前記励起光源の投射光を直接受光しないよう、それぞれ配置され、前記速度場測定手段および圧力場測定手段が、それぞれ観察すべき光以外を低減する光学フィルタを備えていることにより、前記課題を解決するものである。
【発明の効果】
【００１４】
本請求項１に係る流体測定方法および本請求項５に係る流体測定装置によれば、可視性の粒子を昇華性粒子として圧力場測定および速度場測定を同時に行うことによって、昇華性粒子が感圧塗料に接触すると即座に昇華して気体となるため、感圧塗料を溶かすことがなく、付着することもなく、また、物理的に破壊することもない。
このことで、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことが可能となり、かつ、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることができる。
【００１５】
本請求項２および本請求項６に記載の構成によれば、光学的干渉の影響を排除することで、圧力場測定と速度場測定の両者の精度をさらに向上させて同時に行うことが可能となり、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係をさらに明確にすることができる。
本請求項３および本請求項６に記載の構成によれば、光学フィルタによって、測定時の干渉排除工程の処理負担を軽くし、正確に光学的干渉の影響を排除することができる。
本請求項４に記載の構成によれば、光学フィルタがない状態あるいは光学フィルタによって排除し切れない光学的干渉の影響を演算処理によって排除することが可能となり、圧力場測定と速度場測定の両者の精度がさらに向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の１実施態様である流体測定装置の（ａ）側方から見た概略説明図、（ｂ）矩形ダクト部近傍を上方から見た概略説明図。
【図２】本発明の１実施例で測定した擬似衝撃波の模式図。
【図３】本発明の１実施例の粒子散布ノズルの説明図。
【図４】本発明の１実施例の同期システムの概略図。
【図５】本発明の１実施例の同期システムの同期タイミングの説明図。
【図６】本発明の１実施例の感圧塗料測定校正の工程説明図。
【図７】本発明の１実施例の粒子の散乱光画像。
【図８】本発明の１実施例で測定した圧力場の分布画像および速度場のベクトル画像。
【図９】非定常圧力センサと感圧塗料測定の圧力分布の比較図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の流体測定方法は、流体の動的特性を測定する流体測定方法であって、流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを有し、前記感圧塗料を流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化するものとし、前記可視性の粒子を昇華性粒子とし、前記圧力場測定工程および速度場測定工程を同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得するものであって、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とするものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。
【００１８】
本発明の流体測定装置は、流体の動的特性を測定する流体測定装置であって、流体に接する物体表面に設けられ、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料と、流体内に可視性の昇華性粒子を散布する粒子散布手段と、前記感圧塗料に励起用の光を投射する励起光源と、前記感圧塗料の発光を測定する圧力場測定手段と、前記昇華性粒子を可視化するための光を投射する可視化光源と、前記昇華性粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段と、前記圧力場測定手段および速度場測定手段の同一事象に対する測定情報を時間方向で相関した情報として取得する情報取得手段とを有するものであって、感圧塗料による圧力場の測定と可視性の粒子による速度場の測定を、それぞれの測定の精度を損なうことなく同時に行うことを可能とし、時間的に変動する現象であっても、同一事象における複数時刻の時間方向に相関のある圧力場と速度場の情報を取得し、その因果関係を明確にすることを可能とするものであれば、その具体的な実施態様はいかなるものであっても良い。
【００１９】
本発明に係る流体測定方法および流体測定装置の一実施態様を説明する。
流体測定装置１００は、図１に概略的に示すように、矩形ダクト１０１の一方の端部にバルブ１０３を介して吸引手段１０２を接続し、他方の端部に粒子供給容器１０８を介して気流形成ノズル１０４を接続して、矩形ダクト１０１内を測定すべき流体の圧力場と速度場を形成する風洞とするように構成されている。
気流形成ノズル１０４には気体供給手段１０５から測定すべき流体となる気体が供給されるとともに、気流形成ノズル１０４の上流に設けられた粒子供給容器１０８には粒子散布ノズル１０７が設けられ、通過する気体に速度場を光学的に測定するための昇華性粒子１３１が散布される。散布される昇華性粒子１３１は、粒子供給タンク１０６から供給される。
【００２０】
矩形ダクト１０１は、少なくとも隣接する２面がアクリル樹脂等の透明の材質で形成され、少なくとも対向面と隣接面が透明である面の内面側には感圧塗料１１１が塗布されている。
矩形ダクト１０１の外部周囲には、感圧塗料１１１に励起用の光を矩形ダクト１０１内に投射する励起光源１１３、感圧塗料１１１の発光を測定する圧力場測定手段である高速度カメラ１１２、昇華性粒子１３１を可視化するための光を矩形ダクト１０１内に投射する可視化光源１２１、昇華性粒子１３１からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段である高速度カメラ１２２が配されている。
励起光源１１３、圧力場測定手段である高速度カメラ１１２および速度場測定手段である高速度カメラ１２２は、図１（ｂ）に示すように、感圧塗料１１１が塗布された面と対向する透明な面の外側に配置され、可視化光源１２１は、図１（ａ）に示すように、感圧塗料１１１が塗布された面と隣接する透明な面の外側に配置されている。
【００２１】
圧力場測定工程は、測定対象に想定される非定常現象の周波数よりも十分に高速応答かつ十分な発光量を生じさせうる感圧塗料１１１と、十分な空間解像度を持ち時系列に連続に多数の画像を取得することが可能な高速度カメラ１１２からなる圧力場測定手段と、高速応答型の感圧塗料１１１に含まれる感圧色素の吸収線波長を含む十分に励起光量の大きい励起光源１１３とを用いる。
感圧塗料１１１の発光と励起光源１１３が投射する感圧塗料１１１の励起光は、それぞれ光学的に分離可能な光とし、かつ、後述する速度場測定工程で使用する可視化光源１２１の投射光と昇華性粒子１３１からの散乱光または発光とも光学的に分離可能な光とする。
高速度カメラ１１２には、感圧塗料１１１からの発光以外の光を除去する光学フィルタ１１４を設置し、感圧塗料１１１の発光を選択的に取得するとともに、速度場測定工程に起因する光の影響を除去する。
【００２２】
これらの手段を用いて、静的かつ既知の圧力場の複数条件について、感圧塗料１１１を施した測定対象発光画像を取得し、既知の圧力情報と、取得した発光画像の関係を使用することで、測定対象とする感圧塗料１１１の圧力測定のための校正式を得る。
感圧塗料１１１の吸収する波長域に、速度場測定工程の可視化光源１２１または粒子１３１からの散乱光または発光の波長が存在する場合は、これらの光を測定時と同一または可能な範囲で類似の条件で発生させ、測定対象とする感圧塗料１１１の圧力測定のための校正式および基準画像を得る。
【００２３】
速度場測定工程は、流体現象が変化しないと仮定できる程度に極短時間の時間間隔で連続的に２発以上の照射が可能であり、かつ測定対象に想定される非定常現象の周波数よりも十分に高周波でその２発一組のレーザ照射を連続的に可能で、かつ十分な輝度を有する高繰り返しレーザ照射によってシート状のレーザ照射光を形成可能なレーザ発振手段からなる可視化光源１２１を用い、投射されるレーザ照射光により測定対象領域を気流と共に通過する昇華性粒子１３１を照射する。
照射されたレーザ照射光の粒子１３１からの散乱光または発光は、十分な空間解像度を持ち、時系列に連続に多数の画像を取得でき、かつ高繰り返しレーザと同期を取ることが可能な高速度カメラ１２２からなる速度場測定手段を用いて撮影する。
粒子１３１を照射するレーザ光および昇華性粒子１３１からの散乱光または発光は、励起光源１１３が投射する感圧塗料１１１の励起光および感圧塗料１１１の発光と光学的に分離可能なものとする。
【００２４】
高速度カメラ１２２には、昇華性粒子１３１の散乱光または発光以外を除去する光学フィルタ１２３を設置し、昇華性粒子１３１の散乱光または発光を選択的に取得する。
気流中に散布される昇華性粒子１３１は、感圧塗料１１１の表面を汚染せず、圧力場測定工程を妨げないドライアイス等の粒子を用いる。
昇華性粒子１３１の供給および散布においては、単一系統または複数系統の供給系を使用する。粒子散布ノズル１０７は、昇華性粒子１３１の直径を変更可能とし、かつ一様な昇華性粒子１３１の散布を可能とする単一孔または多孔を有するものとする。
【００２５】
昇華性粒子１３１の一部が気流中で昇華し、測定対象とする気流の物理条件が変化する場合に備えて、気流の総温、総圧、組成、音速などの物理量を測定可能とする測定系を設置し、これらの物理量を測定し、気流条件の変化量を測定後に補正可能とする。
測定対象となる気流は、昇華性粒子１３１を使用することによる気流変化の影響をあらかじめ予測でき、かつ、その影響を最小とするように水分の凝縮の影響を抑制できる乾燥気体を使用する。
この乾燥気体は、組成変化による流体物理量の影響を考慮し、レイノルズ数およびマッハ数等の目的とする流体現象を支配する無次元数を目的の条件と同一または類似とする気体組成、総温および総圧を有する混合気体であり、気体供給手段１０５に蓄えられ、あるいは生成される。
【実施例】
【００２６】
次に、本発明に係る流体測定方法および流体測定装置の具体的な一実施例について以下に説明する。
＜測定対象＞
図２に示すような擬似衝撃波と呼ばれる超音速流中の衝撃波群を対象として、壁面圧力場と空間速度場を測定した。矩形ダクト１０１の一面を感圧塗料１１１にて塗装し、圧力場を測定した。圧力場を測定した壁面と平行であり、かつ、矩形ダクト１０１の中央を通る断面を対象として速度場を測定した。
【００２７】
＜実験装置＞
本実施例の、非定常感圧塗料測定と時系列粒子画像流速測定を同時に行ったシステムにおいては、図１に示す上述した一実施態様の流体測定装置１００の、気体供給手段１０５としてエアーバック、気流形成ノズル１０４として超音速ノズル、吸引手段１０２として真空タンクを用いた。
粒子供給タンク１０６を二酸化炭素ボンベとし、粒子散布ノズル１０７から散布される昇華性粒子１３１をドライアイスの微粉末とした。
最上流のエアーバックは、乾燥空気を充填するためのものである。湿り空気を使用する場合、ドライアイス供給時に、湿り空気中の水分が凝縮し測定の妨げとなることから、乾燥空気を使用した。粒子供給容器１０８には、２系統の粒子供給系を設置した。超音速ノズルは設計マッハ数が２．０である。
【００２８】
測定部の矩形ダクト１０１の上板は金属製であり、底板と２枚の側板のうちカメラ側の１枚は透明アクリル製である。残りの側板は金属製とし、内面側に高速応答型の多孔質タイプの感圧塗料１１１を塗装した。
下流のバルブ１０３は手動式のバタフライバルブである。このバルブ１０３を開けることで、エアーバック中の乾燥空気および供給したドライアイスが超音速ノズルを通過して加速される。加速された気流は、測定部の矩形ダクト１０１を通過して真空タンクに吸い込まれる。
【００２９】
＜感圧塗料測定系＞
感圧塗料測定系は、上述の感圧塗料１１１の塗装面に加え、励起光源１１３と圧力場測定手段である高速度カメラ１１２より構成される。
感圧塗料１１１の塗装面は、以下のように製作した。使用した板材はＡｌ−Ｍｇ合金（A5052）である。この板材を陽極として、酸性電解液（硫酸、シュウ酸、リン酸）中で通電した。このようにして、表面をアルマイト加工することで、板材表面に陽極酸化アルミニウム皮膜を形成した。陽極酸化処理後、模型表面の水和物を除去するために、板材をリン酸溶液中に浸漬した。さらに、リン酸を取り除くために、蒸留水への浸漬を数度行った。感圧塗料色素には、［Ｒｕ（ｄｐｐ）３］２＋を使用し、ジクロロメタンを溶媒として、感圧塗料色素を含む溶液を作成した。上記の処理を施した板材をこの感圧塗料色素を含む溶液に浸漬することで、感圧塗料色素を板材に吸着させた。乾燥させた後、ステアリン酸をヘキサンに溶かした溶液に、感圧色素を吸着させた板材を浸漬することで疎水化処理を施した。
【００３０】
励起光源１１３には、後述する粒子画像流速測定法で使用する光源とは異なる波長の光を使用した。感圧塗料測定用の励起光源１１３は、発光波長が４５０から４５５ｎｍである半導体レーザを使用した。リキッドライトガイドに接続された照射器から、測定部である矩形ダクト１０１の側壁の透明アクリル窓を通して感圧塗料１１１の塗装された壁面を照射した。
感圧塗料１１１からの発光を測定する高速度カメラ１１２は、レンズ（Nikkor 50 mm f/1.2、Nikon）を装着したＣＭＯＳ高速度カメラ（Phantom V7.3、 Vision research）を用い、感圧塗料１１１の発光以外の光を除去するための光学フィルタ１１４として、バンドパスフィルタ（O58フィルタ）をレンズ前面に取り付けた。
【００３１】
＜粒子画像流速測定系＞
粒子画像流速測定系は、昇華性粒子１３１としてドライアイス粒子をトレーサ粒子とする粒子供給系、トレーサ粒子を可視化するためのシート状のレーザ照射光を投射するレーザシート系、トレーサ粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段である高速度カメラ１２２より構成される。
粒子供給系は、粒子供給タンク１０６である液化二酸化炭素ボンベ、粒子供給容器１０８、粒子散布ノズル１０７より構成した。
粒子散布ノズル１０７は、図３に示すように、微小孔１３４を有する噴射器１３２および該噴射器１３２下流部の金属管１３３より構成される。本実施例では、液化二酸化炭素を直径１ｍｍの微小孔１３４より噴射させることでドライアイス粒子を供給した。直径１ｍｍの微小孔１３４の下流には、多数の側孔１３５を有する金属管１３３を設置した。この金属管１３３を設置することにより、ドライアイス粒子の成長を促すことができ、また、気流へ一様に散布することも可能となる。
【００３２】
レーザシート系の可視化光源１２１には、感圧塗料１１１の発光波長とは異なる５３２ｎｍの高繰り返しダブルパルスネオジムヤグ（Nd:YAG）レーザ（１０ｋＨｚ時の定格出力１０ｍＪ／ｐｕｌｓｅ、LDP-200MQG DUAL DIODE PUMPED LASER、LEE LASER）を使用した。本可視化光源１２１は、２つのレーザヘッドを有し、それぞれのレーザヘッドより短い時間間隔でレーザ光を照射することで、短い時間間隔で２発のレーザ光を照射することができる。シリンドリカルレンズを含むレンズ系によりシート状のレーザ照射光を形成し、透明アクリルである矩形ダクト１０１の底板より照射した。
シート状のレーザ照射光によって照射されるドライアイス粒子からの散乱光を測定する高速度カメラ１２２は、レンズ（Nikkor 105mm f/2、 Nikon）を装着したＣＭＯＳ高速度カメラ（Phantom V710、 Vision research）を用いた。
レンズ前面に、感圧塗料１１１測定の励起光および発光を除去するための光学フィルタ１２３として、干渉フィルタ（５３２ｎｍ透過）を装着しドライアイス粒子からの散乱光を選択的に高速度カメラ１２２にて撮影した。
【００３３】
＜同期システム＞
図４に、感圧塗料測定系（ＰＳＰ）と粒子画像流速測定系（ＰＩＶ）の同期システムの概略図を示す。
粒子画像流速測定法は、その方式が複数存在し、方式ごとに、カメラとレーザの同期方法が異なるが、本実施例では、１フレームに１露光となる連続した２フレームを撮影する方式で粒子画像を撮影した。信号発生器である高速度カメラ同期信号装置（High speed controller）より、４系統の信号を発生する。
１系統目は、粒子画像流速測定システムの１時刻目のレーザに向かう信号（Ｑ１）である。この信号は、途中遅延信号発生器（ＤＧ５３５）において２系統に分岐される。遅延発生器より分岐された１系統は遅延されることなくＬａｓｅｒ１に入力される。残りの１系統には、遅延信号発生器により遅延された信号を出力する。この遅延された信号は、感圧塗料測定用のカメラの同期信号として入力される。
高速度カメラ同期信号装置より出力される２系統目（Ｑ２）は、直接Ｌａｓｅｒ２に入力される。高速度カメラ同期信号装置より出力される２系統（Ｑ１、Ｑ２）により、２発で一組のレーザの発振間隔は設定される。
【００３４】
高速度カメラ同期信号装置より出力される３系統目（ｃａｍ１）は、粒子画像流速測定法用カメラの同期信号として入力される。この３系統（Ｑ１、 Ｑ２、 ｃａｍ１）により、粒子画像流速測定法用カメラとレーザの同期が取られる。また、遅延発生器より分岐した感圧塗料測定用カメラに向かう遅延信号とこれら３系統（Ｑ１、 Ｑ２、 ｃａｍ１）により、粒子画像流速測定系と感圧塗料測定系の同期が取られる。
高速度カメラ同期信号装置より出力される４系統目（Trigger）は、測定開始のタイミングを入力する信号である。実施例では、試験部の圧力値をトリガーとするために、圧力測定系の電圧信号を基準として信号発生器（Pulse Generator）よりトリガー信号を発生させ、その信号と元に、高速度カメラ同期信号装置より測定開始のトリガー信号を発生した。これらの信号は３分岐され、１系統は粒子画像流速測定用カメラに、１系統は感圧塗料測定用カメラに、最後の１系統は記録用としてデータ記録用ロガー（WE7000）に送られる。
【００３５】
感圧塗料測定用カメラと粒子画像流速測定用カメラの撮影画像は、イーサネット（登録商標）ケーブルを介してそれぞれの測定用ＰＣに送られる。
図５は、上述の同期システムによって実現した感圧塗料測定カメラ（ＰＳＰ ＣＡＭＥＲＡ）と粒子画像流速測定用カメラ（ＰＩＶ ＣＡＭＥＲＡ）と２台のレーザ（ＬＡＳＥＲ１、ＬＡＳＥＲ２）の同期タイミングを示している。線の立ち上がっている時間が、カメラに関しては露光時間を表し、レーザに関しては発光している時間を表す。
【００３６】
＜感圧塗料測定校正方法およびデータ処理方法＞
感圧塗料測定の校正係数の導出は以下の手順で行った。まず、励起光および照明のない状態にて感圧塗料塗装面の画像を撮影する。これをダーク画像と呼ぶ。その後、測定部の圧力を１０ｋＰａ間隔で真空ポンプおよび乾燥空気により変化させる。それぞれの圧力条件下において、励起光源を照射し、感圧塗料塗装面の発光画像を撮影する。これを１０ｋＰａから大気圧までの約１０点について行う。
撮影した発光画像から、ダーク画像を減じ、ノイズ成分の除去を行う。ダーク画像を減じた各圧力下の発光画像群を平均化処理する。これら平均発光画像の大気圧状態（Ｐｒｅｆ）の発光強度画像を基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）とする。各圧力時の平均の発光強度画像（Ｉ）で基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）を除し、両者の強度比画像（Ｉｒｅｆ／Ｉ）を得る。得られた感圧塗料発光強度画像と測定時の圧力データを利用し、校正係数の算出を行う。各発光強度画像とダーク画像は、２００枚の画像を取得し平均化することで得た。発光強度比と圧力の関係は、スタン−ボルマー（Ｓｔｅｒｎ−Ｖｏｌｍｅｒ）式で表される。校正においては、スタン−ボルマー式を圧力について変形した式の係数部を校正時の既知の圧力と発光強度比から求めた。測定においては、発光強度比を測定し、発行強度比から変形した式に基づき圧力場を求めた。
校正式を得る行程を図６に示す。本実施例においては、測定部内での校正係数のばらつきも考慮し、図６の行程に基づき、一定領域ごとに校正係数を求めた。
【００３７】
測定においては、まず、大気圧下で、ダーク画像、基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）を撮影した。粒子画像流速測定で使用するレーザ光が、感圧塗料の吸収帯域に入ることから、基準発光強度画像を撮影する際には、感圧塗料測定の励起光に加え、粒子画像流速測定のシート状のレーザ照射光も照射して基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）を撮影した。その後、風洞を始動させ、通風画像（Ｉ）を撮影した。ダーク画像を基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）と通風画像（Ｉ）から減じた後、基準発光強度画像（Ｉｒｅｆ）と通風画像（Ｉ）の強度比（Ｉｒｅｆ／Ｉ）を求めた。この強度比から圧力を算出した。
【００３８】
＜粒子画像流速測定データ処理方法＞
粒子画像流速測定では、図７のような粒子の散乱光画像を取得した。トレーサ粒子を流さず、シート状のレーザ照射光のみを照射した状態で測定部を撮影した画像を背景画像とした。粒子の散乱光画像から、この背景画像を減じたものを対象に処理を行った。１時刻目の画像から６４ｐｉｘｅｌ×６４ｐｉｘｅｌの領域を切り出し、２時刻目の同領域の画像と相関法によりパターンマッチングを行った。最も相関値が高くなる移動量を粒子の移動距離とした。この移動距離を１時刻目と２時刻目のレーザ照射の時間間隔で割ることにより、粒子の移動速度を算出した。
【００３９】
＜結果＞
図８に、感圧塗料測定系と粒子画像流速測定系の複合システムによって測定した圧力場と速度場を時刻順に図８（ａ）から図８（ｄ）に示す。上段の分布図は圧力場を表し、下段のベクトル図は速度場を表す。測定開始時刻を０ｓとして、圧力場と速度場の測定時刻を図の左上に示す。気流は左から右に流れている。圧力分布は、実際はカラー画像であり、色が赤に近い（右よりの濃度の色）ほど圧力が高く、青に近い（左よりの濃度の色）ほど圧力が低いことを示す。時間の経過と共に、下流側から圧力が上昇していることが分かる。また、圧力変化の切り替わりは明瞭であり、衝撃波によって圧力が変化していることがうかがわれる。
下段の速度ベクトル図は、実際はカラー画像であり、色が赤に近いほど高速であることを表し、青に近いほど低速であることを示す（図８（ａ）の中心付近の濃い色が赤、図８（ｄ）の上下端付近の濃い色が青である。）。Ｔ＝１．００００ｓにおいては、ほぼ全領域において、ベクトルの色は赤であり、超音速気流であることが分かる。同時刻の圧力分布では、同位置においても、圧力上昇を見られる。
速度ベクトルのデータから、壁面において圧力上昇があっても、ダクト中央部は高速気流が流れており、衝撃波はダクト中央部の速度場測定領域には達していないことが分かる。Ｔ＝１．５６５ｓに達すると、速度ベクトル図においても、図中右側の下流に衝撃波が存在し、衝撃波と干渉した壁面近傍の境界層がはがれ、低速領域が存在していることが分かる。さらに時刻が進むと、図８（ｃ）や図８（ｄ）のように、ベクトルの色は緑色（中心付近の明るい色）に切り替わり、気流速度は圧力とは反対に低下することが分かる。
【００４０】
感圧塗料測定の応答特性が、ドライアイス粒子によって失われていないことを示すために、図９に非定常圧力センサ（Ｋｕｌｉｔｅ社製）と感圧塗料測定の圧力分布の比較を示す。図９において縦軸は、大気圧で無次元化した壁面圧力を表し、横軸は、測定時刻を表す。濃い線（上方側で遷移する）は非定常圧力センサの測定結果であり、薄い線（下方側で遷移する）は感圧塗料測定の結果である。一部拡大した下段の図に示すように、両者の変動の形は良く一致しており、バイアス誤差を一定量含むものの、非定常感圧塗料測定の応答特性がドライアイス粒子によって失われていないことが分かる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明に係る流体測定方法および流体測定装置は、航空宇宙分野をはじめとし、鉄道、自動車などの輸送機械、空調機、ファン、風車などの流体機械、エンジン、医療分野および化学プラント等で使用される管内流れなどの広い分野にわたり、非定常圧力場と非定常速度場の相関する振動や騒音、金属疲労などの問題を生じさせる流れ場の測定に対して利用可能である。
これらの分野において、非定常圧力場を生じさせる非定常流れの空間情報を速度場から取得することは、その原因となるメカニズム、形状を特定することを容易にする。結果として、これらの分野における機械の設計や効率の改善、騒音や振動の低減など多様な目的で用いることができる基本的な技術である。
【符号の説明】
【００４２】
１００ ・・・ 流体測定装置
１０１ ・・・ 矩形ダクト
１０２ ・・・ 吸引手段
１０３ ・・・ バルブ
１０４ ・・・ 気流形成ノズル
１０５ ・・・ 気体供給手段
１０６ ・・・ 粒子供給タンク
１０７ ・・・ 粒子散布ノズル
１０８ ・・・ 粒子供給容器
１１１ ・・・ 感圧塗料
１１２ ・・・ 高速度カメラ
１１３ ・・・ 励起光源
１１４ ・・・ 光学フィルタ
１２１ ・・・ 可視化光源
１２２ ・・・ 高速度カメラ
１２３ ・・・ 光学フィルタ
１３１ ・・・ 昇華性粒子
１３２ ・・・ 噴射器
１３３ ・・・ 金属管
１３４ ・・・ 微小孔
１３５ ・・・ 側孔
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の動的特性を測定する流体測定方法であって、
流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを有し、
前記感圧塗料を流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化するものとし、前記可視性の粒子を昇華性粒子とし、
前記圧力場測定工程および速度場測定工程を同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得することを特徴とする流体測定方法。
【請求項２】
前記速度場測定工程における粒子の可視化のための光源の投射光、粒子からの散乱光または発光、前記圧力場測定工程における感圧塗料の励起のための光源の投射光および感圧塗料の発光の、それぞれの光学的干渉の影響を排除する干渉排除工程を有することを特徴とする流体測定方法。
【請求項３】
前記干渉排除工程が、光学フィルタにより行われることを特徴とする請求項２に記載の流体測定方法。
【請求項４】
前記干渉排除工程が、前記圧力場測定工程および速度場測定工程の演算処理により行われることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の流体測定方法。
【請求項５】
流体の動的特性を測定する流体測定装置であって、
流体に接する物体表面に設けられ、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料と、
流体内に可視性の昇華性粒子を散布する粒子散布手段と、
前記感圧塗料に励起用の光を投射する励起光源と、
前記感圧塗料の発光を測定する圧力場測定手段と、
前記昇華性粒子を可視化するための光を投射する可視化光源と、
前記昇華性粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段と、
前記圧力場測定手段および速度場測定手段の同一事象に対する測定情報を時間方向で相関した情報として取得する情報取得手段とを有することを特徴とする流体測定装置。
【請求項６】
前記圧力場測定手段が、前記可視化光源の投射光を直接受光せず、前記速度場測定手段が、前記励起光源の投射光を直接受光しないよう、それぞれ配置され、
前記速度場測定手段および圧力場測定手段が、それぞれ観察すべき光以外を低減する光学フィルタを備えていることを特徴とする請求項５に記載の流体測定装置。
【請求項１】
流体の動的特性を測定する流体測定方法であって、
流体に接する物体表面の圧力分布を感圧塗料によって光学的に測定する圧力場測定工程と、流体内に可視性の粒子を散布して流体の空間挙動を光学的に測定する速度場測定工程とを有し、
前記感圧塗料を流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化するものとし、前記可視性の粒子を昇華性粒子とし、
前記圧力場測定工程および速度場測定工程を同時に行い、同一事象に対する圧力場と速度場の情報を時間方向で相関した情報として取得することを特徴とする流体測定方法。
【請求項２】
前記速度場測定工程における粒子の可視化のための光源の投射光、粒子からの散乱光または発光、前記圧力場測定工程における感圧塗料の励起のための光源の投射光および感圧塗料の発光の、それぞれの光学的干渉の影響を排除する干渉排除工程を有することを特徴とする流体測定方法。
【請求項３】
前記干渉排除工程が、光学フィルタにより行われることを特徴とする請求項２に記載の流体測定方法。
【請求項４】
前記干渉排除工程が、前記圧力場測定工程および速度場測定工程の演算処理により行われることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の流体測定方法。
【請求項５】
流体の動的特性を測定する流体測定装置であって、
流体に接する物体表面に設けられ、流体の圧力に応じた酸素濃度の変化で発光強度が変化する感圧塗料と、
流体内に可視性の昇華性粒子を散布する粒子散布手段と、
前記感圧塗料に励起用の光を投射する励起光源と、
前記感圧塗料の発光を測定する圧力場測定手段と、
前記昇華性粒子を可視化するための光を投射する可視化光源と、
前記昇華性粒子からの散乱光または発光を測定する速度場測定手段と、
前記圧力場測定手段および速度場測定手段の同一事象に対する測定情報を時間方向で相関した情報として取得する情報取得手段とを有することを特徴とする流体測定装置。
【請求項６】
前記圧力場測定手段が、前記可視化光源の投射光を直接受光せず、前記速度場測定手段が、前記励起光源の投射光を直接受光しないよう、それぞれ配置され、
前記速度場測定手段および圧力場測定手段が、それぞれ観察すべき光以外を低減する光学フィルタを備えていることを特徴とする請求項５に記載の流体測定装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−７９８７８（Ｐ２０１３−７９８７８Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２２０３１４（Ｐ２０１１−２２０３１４）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年９月１３日一般社団法人可視化情報学会発行の「可視化情報全国講演会（富山２０１１）講演論文集 ２０１１ ｖｏｌ．３１ Ｓｕｐｐｌ．Ｎｏ．２」に発表、平成２３年９月２７日一般社団法人可視化情報学会主催の「可視化情報学会全国講演会（富山２０１１）」において文書をもって発表
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２３年９月１３日一般社団法人可視化情報学会発行の「可視化情報全国講演会（富山２０１１）講演論文集 ２０１１ ｖｏｌ．３１ Ｓｕｐｐｌ．Ｎｏ．２」に発表、平成２３年９月２７日一般社団法人可視化情報学会主催の「可視化情報学会全国講演会（富山２０１１）」において文書をもって発表
【出願人】（５０３３６１４００）独立行政法人 宇宙航空研究開発機構 (453)
【Ｆターム（参考）】
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