第7回 流れの可視化と流体力計測 flow visualization...

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流体工学特論

1乱流工学乱流工学乱流工学

第7回 流れの可視化と流体力計測（Flow Visualization ・Aerodynamic Force Measurement）

流体工学特論

2流れの可視化流れの可視化流れの可視化

流れの可視化の分類

・壁面トレース法…..油膜法、電解腐食法、感温塗料

・タフト法………….表面タフト、デプスタフト、タフトグリッド

・直接注入トレーサー法…………. 流脈法、流跡法、懸濁法、タイムライン法

・化学反応法……….反応発色法、電解液発色法

・電気制御法…………. 水素気泡法、火花追跡法、スモークワイヤ法

・光学的方法…シャドウグラフ、シュリーレン、マッハツェンダ干渉法

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流体工学特論

3可視化手法と適用範囲可視化手法と適用範囲可視化手法と適用範囲

水素気泡法

注入流脈法

感温塗料

懸濁法

油膜法

0.1mm/s 1cm/s 10cm/s 1m/s 10m/s 100m/s M=11mm/s

タフト

電解発色法

スモークワイヤ火花追跡法

光学的手法

液体

気体

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4光源光源光源

太陽光，白熱電球，水銀灯Xe(キセノン）ランプ

キセノンガスを高圧封入し、アーク放電により発光。

太陽光に近い発光を人工的に得られる

Xeフラッシュ

レーザー光源単色性・指向性・干渉性

高輝度LED

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5壁面トレース法壁面トレース法壁面トレース法

油膜法：油と顔料の混合物を物体表面に塗布して、流れの状態を観察。

例）ディーゼル油＋酸化チタン＋オレイン酸

注意点：遠心力・重力等による外力の影響を受ける

Re=0.82×105

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6油膜法による流れの可視化油膜法による流れの可視化油膜法による流れの可視化

流動パラフィン＋酸化チタン＋オレイン酸

表面に顔料入りの油を塗って，塗料の動きで流れを観察する方法

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7油膜法による可視化例（１）油膜法による可視化例（１）油膜法による可視化例（１）

流体工学特論

8油膜法による流れの可視化（2）油膜法による流れの可視化（油膜法による流れの可視化（22））

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9数値解析によるオイルフロー表示数値解析によるオイルフロー表示数値解析によるオイルフロー表示

数値解析データをもとにオイルフローを模擬する場合が多い(FIELDVIEW）

オイルフローは古くから使われているので設計資料などが残されていることが多い

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10タフト法の特徴タフト法の特徴タフト法の特徴

•水槽・風洞で利用可能

•低速から高速まで適用可能

•手軽に利用可能

• 注意点：気流に追従させるため、軽い材質を選ぶ絹糸（和裁の刺繍糸：湯せん後、まっすぐにする）タンポポの種、ナイロン繊維など）重力の影響を受けやすい

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11タフト法タフト法タフト法

•表面タフト：物体の表面に貼り付ける

•タフトグリッド：タフトを格子状に配置

•デプスタフト：物体表面にポストを立てて、表面から離れた位置の流れを観察

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12注入流脈法注入流脈法注入流脈法

トレーサー法：流れの中に目印となる物質を混入し、その描く線から流れを調べる。レイノルズの実験(1883)が最も有名

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13注入流脈法注入流脈法注入流脈法

・タバコや線香の煙煙のコントラスト：粒子径と密度に依存低速気流1μ、高速気流10μ

・ミスト法ケロシン・軽油・流動パラフィンの蒸気流速適用範囲:0.5m～20m/s

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14流動パラフフィンミスト発生装置流動パラフフィンミスト発生装置流動パラフフィンミスト発生装置

ミストオイルタンク

コック

ブロワ

ヒーター

グラスウール

空気

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15ドライアイス法ドライアイス法ドライアイス法

ドライアイス

水

ミストドライアイスをミストにする方法・10m/s以上、無害・無臭

・水滴を伴う・比重大・浮力の影響

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16四塩化チタン四塩化チタン四塩化チタン

•四塩化チタン（TiCl4) 融点-23℃,沸点136.4℃比重1.76 →空気中で加水分解→白色煙

コントラストが強い導管不要境界層の可視化

• 注意点：塩酸を含むので人体に有害、金属表面を腐食させる

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17色素流脈法色素流脈法色素流脈法

水流中に色素を混入して流れを観察する方法

ローダミンB（赤）

フルオレセイン（緑）メチレンブルー（青）ミルク＋アルコール

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18注入流跡法注入流跡法注入流跡法

シャボン玉 ライポン20％液

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19懸濁法懸濁法懸濁法

水中に混入された空気の泡や比重の異なる油、アルミ紛をトレーサーとした可視化方法

気流の場合：ステアリン酸亜鉛（散乱特性良）

あらかじめ流れ場全体に粒子を混入しておく

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20水素気泡法水素気泡法水素気泡法

水中に設置された電極に電流を流し、水を電気分解→水素気泡が発生

陰極線（25μ程度）

流れ

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21電極の形状と水素気泡の軌跡電極の形状と水素気泡の軌跡電極の形状と水素気泡の軌跡

直線 キンク まだら はしご

直流電圧

ﾊﾟﾙｽ電圧

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22電圧装置（例）電圧装置（例）電圧装置（例）

細線材料: 白金線 タングステン線印加電圧：400V～1000Vパルス幅：0.8～100msパルス周期：4～600ms

サイリスタ サイリスタ

＋

－

＋ －

反転増幅回路

パルスジェネレータ

50～150 μmQ=0.396×10-3(273+θ)i [cm3/s]

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23火花追跡法火花追跡法火花追跡法

高電圧・高周波パルス発生装置

電圧：100kVパルス幅：1μsec周波数：50Hz

高電圧パルス↓空気のイオン化↓電気抵抗低下（気流とともに移動）↓電圧パルス：放電

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24ゴルフボール周りの流れゴルフボール周りの流れゴルフボール周りの流れ

空気 24m/s円柱直径 20mm（黄銅製）印加電圧60kV・7kHz

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25スモークワイヤ法スモークワイヤ法スモークワイヤ法

金属細線に流動パラフィンを塗布し、瞬間的に電流を流すとパラフィンがミスト化する

直流電源

ディレイ回路

ストロボ

スイッチング回路

制御装置

ディレイ時間：1ms～250ms抵抗R=数10オーム10V～100V細線径 0.1～0.2mm程度（ニクロム線）

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26風洞ノズルの整流風洞ノズルの整流風洞ノズルの整流

整流装置

カメラ 制御装置

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27金網による整流効果金網による整流効果金網による整流効果

流体工学特論

282次元噴流の可視化22次元噴流の可視化次元噴流の可視化

マルチスモーク

トリガ信号↓

流れと同期

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29パンタグラフモデルパンタグラフモデルパンタグラフモデル

U=5m/s1/15モデル

流体工学特論

30新幹線先頭モデル新幹線先頭モデル新幹線先頭モデル

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31光学的手法光学的手法光学的手法

nCC

ji

==2

1

sinsin

i

j

光源

光速C1

光速C2

ρ+= Kn 1

媒質中の温度・密度の不均一→屈折率の変化

気体 n～1Gladstone-Daleの式

流体工学特論

32シャドウ・グラフシャドウ・グラフシャドウ・グラフ

スクリーン

2

20

ydyddI

yKddz

ynK

y

dy

∂ρ∂

∝ε

∝

∂ρ∂

≈∂ρ∂

=ε ∫

観測気体

d

z

y

光源 εy

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33シュリーレンの撮影例シュリーレンの撮影例シュリーレンの撮影例

超音速噴流の干渉閃光時間2×10-6sec

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• ナイフエッジによって光をさえぎる

• 密度変化があるとナイフエッジを通過する光量が変化

シュリーレン法シュリーレン法シュリーレン法

スクリーン

αε

∝yF

IdI

2

ナイフエッジ

測定対象

光源 カメラ

F2焦点距離

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35シュリーレン法のレイアウトシュリーレン法のレイアウトシュリーレン法のレイアウト

流体工学特論

36シュリーレンの撮影例シュリーレンの撮影例シュリーレンの撮影例

超音速噴流の干渉閃光時間2×10-6sec

シャドウグラフとの比較

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37カラーシュリーレン法カラーシュリーレン法カラーシュリーレン法

超音速噴流（M＝2）D=9mm

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38マッハツェンダ干渉法マッハツェンダ干渉法マッハツェンダ干渉法

スプッリタで分離された光：BS→SM→RSA→SC一方の光路中に透過物体を挿入

→屈折率分布に応じた干渉縞

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39密度と干渉縞の関係密度と干渉縞の関係密度と干渉縞の関係

)12(2

10 −

λ+ρ=ρ N

dK

N：干渉縞次数

λ：光の波長d: 観測部のZ軸方向

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40撮影事例撮影事例撮影事例

タービン翼列Re=8×105 酸水素炎

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41流体力の測定流体力の測定流体力の測定

物体に働く流体力抗力 （流れ方向）揚力 （鉛直方向）横力 （横方向）

モーメントピッチングヨーローリング

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42市販のロードセル装置市販のロードセル装置市販のロードセル装置

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43ロードセルの原理ロードセルの原理ロードセルの原理

金属細線

力F

電気抵抗R

ブリッジ回路

流体工学特論

44風洞における流体力の測定風洞における流体力の測定風洞における流体力の測定

ロードセル

風洞ノズル

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45ストラット型(自動車）ストラット型ストラット型((自動車）自動車）

流体工学特論

46ストラット型（航空機）ストラット型（航空機）ストラット型（航空機）

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47最新F-1用風洞最新最新FF--11用風洞用風洞

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485ベルト方式

（ダイムラークライスラー）

55ベルト方式ベルト方式

（ダイムラークライスラー）（ダイムラークライスラー）

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49吊り下げ型吊り下げ型吊り下げ型

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50磁力支持天秤装置磁力支持天秤装置磁力支持天秤装置

測定部寸法：60cm×60cm風速範囲：0～35m/s 最大模型質量 ：7kg抗力：16N 横力：35N 揚力：109Nローリングモーメント 0N･mピッチングモーメント 13.7N･mヨーイングモーメント 6.8N･m

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51パンタグラフ揚力測定実験パンタグラフ揚力測定実験パンタグラフ揚力測定実験

ロードセル用ワイヤ

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52揚力特性改善実験揚力特性改善実験揚力特性改善実験

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53測定結果測定結果測定結果

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15スロープ角度 [deg]

揚力

[N

]

1/3 スケールモデル

集電パンタ（なびき） 270km/h

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54揚力測定実習揚力測定実習揚力測定実習

風洞：流体研究回流風洞流速：30 m/s翼モデル：NACA0012迎角：0～15度測定データ：揚力、抗力、流速データ整理方法：迎角αに対するCl及びCdの変化を

グラフにまとめる流速測定方法：ピトー管、傾斜管マノメータ流体力測定方法：ロードセル

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55測定例測定例測定例

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 5 10 15 20 25 30

α（°）

Cl,

Cd

Cｌ Cd

Lift

Drag