JP2004069494A - 噴流速度計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】計測精度を原理的に向上させること。
【解決手段】ノズル２３から噴射される液体の中の粒子を撮影するカメラ６と、その液体にレーザービーム２４を照射するレーザー光源５と、カメラ６により撮影された映像に基づいて粒子の物理的状態の分布を計算する計算機７とから構成されている。その物理的状態の分布は、速度分布と粒径分布とから構成されている。計算機７は、速度分布を計算する速度分布計算機部分と、粒径分布を計算する粒径分布計算機部分とを構成している。粒径分布を計測することにより、粒子径と粒子の位置と粒子の発光量との対応を明確化することにより、粒子の流れベクトルをより厳密に抽出して計算することができ、計測精度が安定的に向上する。
【選択図】　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、噴流速度計測装置に関し、特に、ノズルから噴出される噴流のベクトルを計測して噴流状態を測定する噴流速度計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃焼ガスの噴霧、洗浄液体の噴射のような流体のジェット流は、最近の科学技術では重要な技術要素であり、噴流を生成するノズルの開発は多様に重要である。噴流は、その流速が重要な物性値である。噴流の構成部分である水粒子又は流体中に混入した粒子が光学的に可視体であることを利用して、その粒子挙動を追跡することによりその噴流速度を計測する手法として、粒子画像流速測定法（ＰＩＶ）が知られている。３次元の非定常流速分布を多次元に計測し、且つ、定量的にそれを計測することができる粒子画像流速測定法は、様々な分野で利用され、その利用は近年ますますに盛んになっていて、その応用範囲は広い。
【０００３】
図５は、そのような公知の粒子画像流速測定法を例示している。窒素ガスボンベ１０１から窒素ガスを直接に窒素ガス槽１０２に供給し、その窒素ガスの圧力を利用して水タンク１０３の中の水を水槽１０４に供給し、水と窒素ガスとに対して共通に用いられるノズル１０５から放出することにより、水とガスが混合した噴霧流１０６が生成される。その噴霧状態は、水圧とガス圧を調整することにより任意に可変される。噴霧流１０６にレーザー光１０７が照射され、噴霧流を構成する水粒子により散乱される散乱光はＣＣＤカメラ１０８で受光される。ＣＣＤカメラ１０８は、実質的に水粒子のみを撮影する。計測者は、ＰＩＶ計測制御用計算機１０９に付随する表示画面１１０に映し出される水粒子分布画像を見ながら、露出調整器１１２と焦点調整器１１３とを用いて、ＰＩＶ計測制御用計算機１１０が作成する水粒子分布画像が最も適正になるように（鮮明になるように）、露出度と焦点位置を調整する。短時間の間隔で撮影される２枚のそのような画像を作成することにより、流速と移動方向（流れベクトル）を計測することができる。
【０００４】
このように粒子画像流速測定法は、理論的には極めて優れた噴流ベクトル計測技術であるが、実用的には下記問題点が残存している。
（１）計測者ごとに異なる露出と焦点の調整は、その計測精度を確定することが困難である。計測者の体調によっては、同一計測者の計測結果が異なることがある。
（２）噴霧流の中心部分は微粒化が不十分であって粒子径が大きく散乱光強度が強く輝度が高く、外周部分はその逆であって輝度が低く、手動による既述の調整によっては計測が全体的に又は部分的に不可能である場合があり（焦点合わせと露出調整とが困難であり）、３次元計測が困難であり、結果的に計測精度が安定的でない。
（３）噴霧流の中心部分は微粒化が不十分であり粒子計測を原理とする粒子画像流速測定法が原理的に無効化する。
【０００５】
原理的に計測精度が向上する技術の確立が求められる。特に、噴流の中心部分の計測精度の向上が求められる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、計測精度を原理的に向上させる技術を確立することができる噴流速度計測装置を提供することにある。
本発明の他の課題は、特に噴流の中心部分に関して、計測精度を原理的に向上させる技術を確立することができる噴流速度計測装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
その課題を解決するための手段が、下記のように表現される。その表現中に現れる技術的事項には、括弧（）つきで、番号、記号等が添記されている。その番号、記号等は、本発明の実施の複数の形態又は複数の実施例のうちの少なくとも１つの実施の形態又は複数の実施例を構成する技術的事項、特に、その実施の形態又は実施例に対応する図面に表現されている技術的事項に付せられている参照番号、参照記号等に一致している。このような参照番号、参照記号は、請求項記載の技術的事項と実施の形態又は実施例の技術的事項との対応・橋渡しを明確にしている。このような対応・橋渡しは、請求項記載の技術的事項が実施の形態又は実施例の技術的事項に限定されて解釈されることを意味しない。
【０００８】
本発明による噴流速度計測装置は、ノズル（１３）から噴射される液体の中の粒子を撮影するカメラ（６）と、その液体にレーザービーム（２４）を照射するレーザー光源（５）と、カメラ（６）により撮影された映像に基づいて粒子の物理的状態の分布を計算する計算機（７）とから構成されている。その物理的状態の分布は、速度分布と粒径分布とから構成されている。計算機（７）は、速度分布を計算する速度分布計算機部分と、粒径分布を計算する粒径分布計算機部分とを構成している。
【０００９】
粒径分布を計測することにより、粒子径と粒子の位置と粒子の発光量との対応を明確化することにより、粒子の流れベクトルをより厳密に抽出して計算することができ、計測精度が安定的に向上する。粒子が発する光は、散乱光又は自発光である。
【００１０】
焦点深度調整器（２９）を持つカメラ（６）は、粒子の存在位置とその粒子が発光する光量との対応をより高精度化する。露出調整器（２８）は、更にその対応を高精度化する。
【００１１】
計算機（７）は、設定粒径を入力する入力器を更に有している。計算機（７）は、粒径分布計算機部分により計算された計算粒径が設定粒径に許容範囲内で一致しない場合に、焦点深度を可変する焦点可変信号（３４）を焦点深度調整器（２９）に送信する。焦点の深度を調整することにより、粒径と粒子存在位置との既述の対応をより確実に且つ自動的に実現することができる。露出量の可変は、更に、その対応をより確実に且つ自動的に実現することができる。焦点深度と露出量は、それぞれに走査的に可変であることが重要である。
【００１２】
レーザービーム（２４）の第１光軸（２５）とカメラ（６）の第２光軸（２７）との間の角度（θ）は可変であることが望ましい。第１光軸（２５）と第２光軸（２７）は、ノズル（１３）の中心軸心線（２６）に概ね直交することは、角度θの調整とともに協同して、噴流の中心点の計測を高精度化する点で特に望ましい。角度調整により噴流の中心点に光軸を合わせることは、計測精度を向上させる。
【００１３】
液体には気体と蛍光微粒子とを混入することは、微粒子以外の散乱光の強度の比率を軽減する点で特に好ましい。その場合、カメラには蛍光微粒子が発する蛍光を選択的に透過させるフィルタが追加される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図に対応して、本発明による噴流速度計測装置は、噴霧流生成器が流れベクトル計測器とともに設けられている。その噴霧流生成器１は、図１に示されるように、流体供給源２とノズル形成器３とから構成されている。その流れベクトル計測器４は、レーザ光源５と、ＣＣＤカメラ６と、ＰＩＶ計測制御用計算機７とから構成されている。
【００１５】
流体供給源２は、窒素ガスボンベ８と水タンク９とから構成されている。ノズル形成器３は、噴流生成用水槽１１と窒素ガス槽１２とから形成されている。ノズル１３は、窒素ガス槽１２を貫通している。ノズル１３の一端部位は噴流生成用水槽１１の内部で開放されている。ノズル１３の他端部位は計測ボックス１４の内部に向かって開放されている。窒素ガス槽１２には、計測ボックス１４に対して開放される窒素ガス噴出口１５が開けられている。ノズル１３の開放他端部位１６は、窒素ガス噴出口１５に囲まれている。
【００１６】
噴流生成用水槽１１の中の水は、ノズル１３の一端部位からノズル１３に圧力的に導入され、ノズル１３の開放他端部位１６から計測ボックス１４の中に噴出する。窒素ガスは、窒素ガス槽１２の窒素ガス噴出口１５から圧力的に噴出する。窒素ガス噴出口１５から噴出する窒素ガスは、開放他端部位１６から噴出する水に混合して、ガス混合噴霧流１７が計測ボックス１４の中に生成される。
【００１７】
窒素ガスボンベ８を窒素ガス槽１２に接続する管には、第１ガス圧調整弁１８と第２ガス圧調整弁１９とが直列に介設されている。窒素ガスボンベ８を水タンク９に接続する管には、第２ガス圧調整弁１９と第３ガス圧調整弁２１とが直列に介設されている。窒素ガス槽１２に供給される窒素ガスのガス圧は、第１ガス圧調整弁１８により調整される。水タンク９の内部空間の上方部位に供給される窒素ガスのガス圧は、第３ガス圧調整弁２１により調整される。第２ガス圧調整弁１９は、元弁として用いられている。
【００１８】
噴流生成用水槽１１の内部空間の上方部位を占める窒素ガスのガス圧は、水槽圧力計２２により測定される。窒素ガス槽１２の内部空間を占める窒素ガスのガス圧は、窒素ガス槽圧力計２３により測定される。両圧力計２２，２３が測定する圧力に対応して第１ガス圧調整弁１８と第３ガス圧調整弁２１の開度を調整することにより、気体（窒素ガス）と液体（水）の混合比率とガス混合噴霧流１７の速度を含む噴流状態を多様に形成することができる。
【００１９】
レーザ光源５から射出されるレーザ光２４の光軸線２５は、ガス混合噴霧流１７の概中心軸心線２６に直交している。ＣＣＤカメラ６の光軸線２７は、レーザ光２４に直交し、且つ、概中心軸心線２６に直交している（図の表現は、作図の都合によりその直交性を示していない。）。光軸線２５と概中心軸心線２６と光軸線２７は、３次元直交座標軸を形成している。
【００２０】
ＣＣＤカメラ６には、露出調整器２８と焦点調整器２９とフィルタ３１とが付属している。フィルタ３１は、レーザ光２４の波長と同じ波長又はそれに近似する波長の光のみを透過させる光学部品である。レーザ光２４は、立体的に口径が拡大する光円錐ビームである。レーザ光２４とガス混合噴霧流１７とが交叉する領域の光円錐ビームの直径は、ガス混合噴霧流１７の平均的直径より適正な程度に大きい。焦点調整器２９によりＣＣＤカメラ６のレンズ系の焦点を調整することにより、ＣＣＤカメラ６の焦点をガス混合噴霧流１７の半径線の上の任意の位置に合わすことができる。
【００２１】
ＣＣＤカメラ６は、ガス混合噴霧流１７のうちその焦点位置近傍の領域を有効に撮影することができる。ＣＣＤカメラ６が取得する撮影像３２は、第１送信線３３を介してＰＩＶ計測制御用計算機７に取り込まれる。ＰＩＶ計測制御用計算機７は、公知の多次元流速分布計算プログラムを有し、新規な粒径分布計算プログラムが追加されている。粒径分布計算プログラムは、それ自体は公知である。
【００２２】
流れベクトル計測は、下記ステップから構成されるプロセスにより実行される。
ステップ１：
計測者は、ＰＩＶ計測制御用計算機７に粒子径を入力する。
ステップ２：
レーザ光２４がガス混合噴霧流１７に照射される。撮影像３２が、ＰＩＶ計測制御用計算機７に取り込まれる。撮影像３２は、複数の粒子径の水粒子の映像の集合である。
ステップ３：
ＰＩＶ計測制御用計算機７は、粒径分布計算プログラムを用いて、空間的粒度分布を計算する。その空間的粒度分布は、定焦点近傍の空間的分布である。
【００２３】
ステップ４：
ステップ３の空間的分布の平均値又は最大値に対応する粒子径がステップ１で入力した粒子径と異なる場合に、ＰＩＶ計測制御用計算機７は、露出調整器２８と焦点調整器２９に対して、露出度変動、又は、焦点距離変動、又は、両変動を指示する変動指示信号３４を第２送信線３５を介して、露出調整器２８、又は、焦点調整器２９、又は、露出調整器２８と焦点調整器２９とに送信する。
【００２４】
ＰＩＶ計測制御用計算機７は、露出度Ｘｊと焦点距離Ｙｊの２変数をそれぞれの定義域でそれぞれに変動させることにより、（Ｘｊ，Ｙｊ）に対応する空間的粒度分布を計算し、（Ｘｊ，Ｙｊ）に対応する既述の最大値に対応する入力済み粒子径に許容範囲内で一致する（Ｘｋ，Ｙｋ）を見出す。
【００２５】
ステップ５：
ＰＩＶ計測制御用計算機７は、粒子径対応最適正焦点距離に焦点調整器２９の焦点距離を固定して、既述の多次元流速分布計算プログラムを持つ公知のＰＩＶ計測により、その粒子径の水粒子の速度と方向を計算する。
【００２６】
このようなプロセスにより計測された流れベクトルは、その焦点距離の位置で最も多くに存在する粒子径の水粒子の流れベクトルを忠実に表しているから、ＰＩＶ計測制御用計算機７は位置に対して統計的に固有である粒子径の水粒子の流れベクトルを計測したことになり、計測精度が原理的に向上している。露出度変動と焦点距離変動とは、粒径分布計算プログラムの追加により、自動的に実行されていて、計測者の身体的条件に影響されないから、その計測精度は、原理的に、且つ、実用的に向上している。
【００２７】
図２は、本発明による噴流速度計測装置の実施の他の形態を示している。公知のＰＩＶ計測は、光軸線２５と光軸線２７が直交している。本発明によるＰＩＶ計測は、光軸線２５と光軸線２７とが、１２０゜〜１５０゜の範囲で交叉し、又は、３０゜〜６０゜の範囲で交叉している。図２は、光軸線２５と光軸線２７とが、１２０゜〜１５０゜の範囲で交叉し、特に、１３５゜で交叉している例を示している。
【００２８】
図２は、光軸線２５と光軸線２７を含む平面でガス混合噴霧流１７を切断した断面を示している。概中心軸心線２６とその断面との交点Ｐを中心とするガス混合噴霧流１７の断面上の中心領域は、参照番号３６で示されている。図３に示されるように、ＣＣＤカメラ６の光学系の原点（撮像面の中心点）は、参照記号Ｏで示されている。点Ｏと外周円３７の中心点との間の距離を半径とし、点Ｏを中心とする円は、参照記号３８で示されている。直線ＰＯに対して角度θを持つ直線３９と円３８との交点は、参照記号Ｑで示されている。光軸線２７は、機械系により絶対的に厳密に設定されているが、概中心軸心線２６はガス圧と水圧とガス量と水量との変動に基づいて位置変動する。従って、概中心軸心線２６は、光軸線２７に対して相対的に変動していて、概中心軸心線２６の光軸線２７に対する相対的位置は不定的に知られていない。
【００２９】
そのような相対的変動として、図３にΔθが現れている。Δθのずれが生じ、且つ、焦点距離（長さＯＰに対応）が厳密に設定されていれば、ＰＱの長さは確実に零でなく、
ＰＱ＝Δθ・ＯＰ
長さＯＰは、実験設備を現実に構成するための幾何学的制限により、希望通りに短くすることができない。Δθは、ノズルの製作上の制限のために、希望通りに小さくすることができない（Δθを小さくするためのノズルの製作は、他の課題である。）。
【００３０】
公知装置では、光軸線２５は円３８に概ね一致している。このようなΔθが生じれば、ＣＣＤカメラ６は、光軸線２５から遠く離れた位置である点Ｑの近傍を撮影する。点Ｑの近傍を通る光円錐ビームの光強度は弱く、適正な撮影像を得ることができない。光円錐ビームでなく平行束ビームを用いることがより適正であり、細い平行束ビームを用いれば、なおさらに、計測精度が劣化する。
【００３１】
Δθのずれを相対的に補正するために、ＣＣＤカメラ６の光軸線２７をΔθの程度で振る場合、公知装置では、焦点位置は円３８に概ね一致するレーザ光軸線上にあり、光軸線２７の回転によっては輝度に有効な変化がないが、本発明による装置では、光軸線２７の回転によって輝度に大きな変化が現れる。直線ＯＱと光軸線２５との交点をＳで表せば、長さＳＱはΔθが零より大きくなれば急激に大きくなり、Δθの変化によって輝度は大きく変化する。輝度が最大値を示す角度位置にＣＣＤカメラ６を回転させることにより、ＣＣＤカメラ６の焦点は外周円３７の中点に有効に一致する。
【００３２】
実施の本形態は、中心領域と外周領域とで散乱光強度（輝度）の差が大きい噴流の中心領域の流れベクトルの計測に特に好適である。そのような噴流として、ノズルから噴射される噴流が好適に例示される。
【００３３】
図４は、本発明による噴流速度計測装置の実施の更に他の形態を示している。実施の本形態は、実施の既述の形態の第２送信線３５が必ずしも必要ではない点と、水タンク９の中の水に蛍光粒子（蛍光シード）４１が混合されている点とで、実施の既述の形態と異なっている。実施の本形態では、実施の既述の形態のフィルタ３１に代えられて、蛍光フィルタ３１’が用いられる。蛍光粒子４１は、レーザ光２４の照射を受けて特定の波長又は波長領域の蛍光を発する物性を持つ物質で形成される粒子である。蛍光フィルタ３１’は、そのような蛍光を有効に透過させ、その蛍光の波長又は波長領域の波長の光を有効に透過させない光学的波長選択素子である。
【００３４】
蛍光粒子４１は、水の比重と同程度の比重を持ち、且つ、水溶性でないが水に混合しやすい物性を持つことが望ましい。このような物性を持つ蛍光粒子４１が水に混合した混合流体がノズル２３から噴射される場合、ガス混合噴霧流１７の中心領域の液柱は蛍光粒子４１がより多く混合した流体の特性を強く持ち、外周領域の噴流は蛍光粒子４１がより多く含まれる噴霧体の特性を持つ。水粒子により散乱されるレーザ光は蛍光フィルタ３１’を通過せず、蛍光粒子４１が発する蛍光が蛍光フィルタ３１’を通過するので、中心領域の液柱は光学的には蛍光粒子４１の噴霧状態であり、外周領域の噴流は物質的にも光学的にも噴霧状態である。ここで噴霧状態は、噴流中の光源が連続体ではなく離散体であることを意味する。
【００３５】
実施の本形態は、ガス混合噴霧流１７の全体について流れベクトルを同時的に計測することが重要である噴流体の計測のために特に好適である。
【００３６】
【発明の効果】
本発明による噴流速度計測装置は、噴流速度計測精度が原理的に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明による噴流速度計測装置の実施の形態を示す機器系統付断面図である。
【図２】図２は、図１の平面図である。
【図３】図３は、幾何学図である。
【図４】図４は、本発明による噴流速度計測装置の実施の他の形態を示す機器系統付断面図である。
【図５】図５は、公知装置を示す断面図である。
【符号の説明】
５…レーザー光源
６…カメラ
７…計算機
１３…ノズル
２４…レーザービーム
２５…第１光軸
２７…第２光軸
２６…中心軸心線
２８…露出調整器
２９…焦点深度調整器
３４…焦点可変信号

Claims (9)

1. ノズルから噴射される液体の中の粒子を撮影するカメラと、
   前記液体にレーザービームを照射するレーザー光源と、
   前記カメラにより撮影された映像に基づいて前記粒子の物理的状態の分布を計算する計算機とを具え、
   前記物理的状態の分布は、速度分布と粒径分布とを含み、
   前記計算機は、
   前記速度分布を計算する速度分布計算機部分と、
   前記粒径分布を計算する粒径分布計算機部分とを備える
   噴流速度計測装置。
2. 前記カメラは、焦点深度調整器を備える
   請求項１の噴流速度計測装置。
3. 前記カメラは、露出量を調整する露出調整器を更に備える
   請求項２の噴流速度計測装置。
4. 前記計算機は、設定粒径を入力する入力器を更に備え、
   前記計算機は、前記粒径分布計算機部分により計算された計算粒径が前記設定粒径に許容範囲内で一致しない場合に、前記焦点深度を可変する焦点可変信号を前記焦点深度調整器に送信する
   請求項２の噴流速度計測装置。
5. 前記計算機は、前記粒径分布計算機部分により計算された計算粒径が前記設定粒径に許容範囲内で一致しない場合に、前記露出量を可変する露出可変信号を前記露出調整器に送信する
   請求項４の噴流速度計測装置。
6. 前記レーザービームの第１光軸と前記カメラの第２光軸との間の角度は可変である
   請求項１〜５から選択される１請求項の噴流速度計測装置。
7. 前記第１光軸と前記第２光軸は、前記ノズルの中心軸心線に概ね直交する請求項１〜６から選択される１請求項の噴流速度計測装置。
8. 前記液体には気体と蛍光微粒子とが混入されている
   請求項１〜７から選択される１請求項の噴流速度計測装置。
9. 前記カメラは前記蛍光微粒子が発する蛍光を選択的に透過させるフィルタを更に備える
   請求項１〜８から選択される１請求項の噴流速度計測装置。

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