乱流工学流れの可視化

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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
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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
流体工学特論
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3
可視化手法と適用範囲
0.1mm/s 1mm/s
1cm/s
10cm/s
1m/s
10m/s
100m/s
M=1
水素気泡法
懸濁法
油膜法
電解発色法
タフト
注入流脈法
スモークワイヤ
火花追跡法
液体
気体
感温塗料
光学的手法
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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
流体工学特論
3
油膜法による可視化例（１）
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流体工学特論
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（2）
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流体工学特論
4
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数値解析によるオイルフロー表示
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
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）
流体工学特論
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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
流体工学特論
5
タフト法
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•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
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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
流体工学特論
流動パラフフィンミスト発生装置
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ミスト
オイルタンク
ヒーター
グラスウール
コック
空気
ブロワ
流体工学特論
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ドライアイス法
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
ミスト
ドライアイス
水
流体工学特論
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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
流体工学特論
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色素流脈法
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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
流体工学特論
注入流跡法
シャボン玉
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ライポン20％液
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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
＋
－
反転増幅回路
サイリスタ
サイリスタ
パルスジェネレータ
＋
Q=0.396×10-3(273+θ)i [cm3/s]
－
50～150 μm
流体工学特論
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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
流体工学特論
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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流体工学特論
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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
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）
ストロボ
制御装置
直流電源
スイッチング回路
ディレイ回路
流体工学特論
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風洞ノズルの整流
カメラ
制御装置
整流装置
流体工学特論
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金網による整流効果
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流体工学特論
22次元噴流の可視化
次元噴流の可視化
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マルチ
スモーク
トリガ信号
↓
流れと同期
流体工学特論
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パンタグラフモデル
U=5m/s
1/15モデル
流体工学特論
新幹線先頭モデル
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流体工学特論
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光学的手法
sin i C1
=
=n
sin j C 2
媒質中の温度・密度の
不均一→屈折率の変化
光源
気体 n～1
Gladstone-Daleの式
i
光速C1
n = 1 + Kρ
j
光速C2
流体工学特論
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シャドウ・グラフ
d
スクリーン
K ∂ρ
∂ρ
dz ≈ Kd
∂y
0 n ∂y
dεy ∂ 2ρ
dI ∝
∝ 2
dy
∂y
εy =
光源
y
εy
d
∫
観測気体
z
流体工学特論
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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
流体工学特論
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シュリーレン法
• 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
測定対象
光源
εy
dI
∝ F2
α
I
F2焦点距離
カメラ
スクリーン
ナイフエッジ
流体工学特論
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シュリーレン法のレイアウト
35
流体工学特論
シュリーレンの撮影例
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シャドウグラフとの比較
超音速噴流の干渉
閃光時間2×10-6sec
流体工学特論
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カラーシュリーレン法
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超音速噴流（M＝2）
D=9mm
流体工学特論
マッハツェンダ干渉法
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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
流体工学特論
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密度と干渉縞の関係
ρ = ρ0 +
1 λ
(2 N − 1)
K 2d
N：干渉縞次数
λ：光の波長
d: 観測部のZ軸方向
流体工学特論
40
撮影事例
タービン翼列
Re=8×105
酸水素炎
流体工学特論
20
流体力の測定
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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
流体工学特論
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市販のロードセル装置
流体工学特論
21
ロードセルの原理
43
力F
金属細線
電気抵抗R
ブリッジ回路
流体工学特論
風洞における流体力の測定
44
風洞ノズル
ロードセル
流体工学特論
22
ストラット型
(自動車）
ストラット型(自動車）
45
流体工学特論
ストラット型（航空機）
46
流体工学特論
23
最新
F-1用風洞
最新F-1用風洞
47
流体工学特論
55ベルト方式
ベルト方式
（ダイムラークライスラー）
48
流体工学特論
24
吊り下げ型
49
流体工学特論
磁力支持天秤装置
50
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
流体工学特論
ヨーイングモーメント 6.8N･m
25
51
パンタグラフ揚力測定実験
ロードセル用ワイヤ
揚力特性改善実験
流体工学特論
52
流体工学特論
26
53
測定結果
6
集電パンタ（なびき） 270km/h
揚力 [N]
5
4
3
2
1
1/3 スケールモデル
0
0
5
10
15
スロープ角度 [deg]
流体工学特論
揚力測定実習
54
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
流体工学特論
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55
測定例
1.2
Cｌ
1
Cd
Cl, Cd
0.8
Lift
0.6
0.4
Drag
0.2
0
0
5
10
15
20
25
30
α（°）
流体工学特論
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