気体・液体の流れを可視化｜流体可視化について事例と合わせて解説

「気体や液体の流れを可視化する」とは？

レーザーシートによる気流の可視化 ※撮影協力：東京理科大学石川仁先生青野光先生
「気体や液体の流れを可視化する」とは、流体を見える化してカメラや目視で観察できるようにすることです。通常は目に見えない現象を可視化することで、シミュレーションでしか評価ができない観測対象を実際の流れから検証することができます。

製品カタログをダウンロードするお問合せ・技術相談をする

流れを可視化する目的と重要性

気体や液体の流れを可視化することは、流体の動きや流れの特性を理解しやすくするために行われます。主な目的は以下の通りです。

流れのパターンの把握：
流体の流れ方やパターンを視覚的に理解することができます。渦、分離、再循環など流れの特性を識別することができます。
理論と実験の比較：
理論や数値シミュレーションによる予測と実験結果を比較することで、理論の妥当性を評価することができます。
設計の最適化：
機械や構造物の設計において、流体の流れを考慮する必要がある場合、流れの可視化を通じて最適な設計を導き出すことができます。

気体や液体など多くの流体は透明であり、その動きやパターンは通常目に見えません。流体を可視化する技術を用いれば、直接的に観察したり、カメラで記録したりすることが可能になります。また、ある特定の瞬間での流れの全体像や、流れの特性（例えば速度や密度）を定量的（または定性的）に評価することもできます。

流体を可視化する手法

レーザーシート光源

シュリーレン装置

レーザーシート：流体に追従するトレーサー粒子の光の散乱を可視化
シュリーレン：流体の密度勾配を可視化

カトウ光研では、レーザーシート光源・シュリーレン装置による流体可視化を提案しています。レーザーシート光源による可視化は、流体に追従する粒子（トレーサー粒子）を散布して、レーザー光によって散乱する粒子を視認します。

一方、シュリーレン装置では流体の密度の違いによる光の屈折を可視化します。これをシュリーレン法といい、レーザーシートのようにトレーサー粒子を必要としません。

PIV Laser GⅡseries
安定性・耐久性・可搬性を備えた、PIV用レーザーシート光源の最適な選択肢。
PIV Laser GⅡseriesは、高精度な流体可視化の要求に応えるためのレーザーシート光源です。波長520nmの緑色半導体レーザーを採用し、ちらつきの少ない高い安定性を実現しています。均一で高輝度なシート光は、精密な可視化計測を可能にします。製品ページを見る

システムシュリーレンSS series
”シュリーレン法の新基準”
システムシュリーレンSS seriesは、光軸調整の大幅な簡素化により、これまで手間が掛かっていたシュリーレン撮影が手軽に行えます。Wパス方式（観測空間に2回平行光が通過）によって微細な現象も高いレベルで可視化を実現します。コンパクトな筐体で省スペース設置が可能な点も魅力の一つ。スライド式光学系により観測空間の調整が自由自在で、研究に応じた最適な設定ができます…製品ページを見る

レーザーシートによる可視化

PIV Laser（PIV Laser G series：レーザーシート光源）を使った気流の可視化からPIV計測までのイメージ動画です。流体に追従するトレーサー粒子（気流用トレーサー：煙）にレーザーシートを照射、可視化された流れをハイスピードカメラで撮影します。撮影された画像は、PIVソフトウェアで解析することで速度ベクトルが算出されます。可視化から解析までのイメージとしてご参考ください。

PIVでは、撮影した流体画像の輝度情報から流体の速度を算出できます。流れの可視化だけではあくまで定性的ですが、PIVでは流速を数値化して、流体の速さと方向を定量的に評価できます。

使用製品

PIV Laser G series

ハイスピードカメラk9

PIVソフトFlow Expert2D2C

気流用トレーサー煙発生器

➡PIV用光源のカタログをまとめてダウンロードする

トレーサー粒子を使う

気流用トレーサー粒子（発生器各種）

液相用トレーサー粒子（固体粒子）

散乱光で流体を可視化する手法では、流れに追従する微小な粒子を使います。これをトレーサー粒子といい、空気や水など流体によって異なる粒子を使用します。トレーサー粒子は、流体を見える化するためのマーカーの役割を果たします。

➡流れの可視化・PIV用トレーサー粒子のカタログ一式をダウンロードする

気体には主に煙（スモーク）、液体には固体粒子を使う

空気を可視化する場合、空気の流れに追従して運動する煙（スモーク）を散布します。一方で、液体の場合には比重の近い固体粒子を懸濁して使用します。可視化したい対象や撮影の画素数を考慮して、適切な粒子を選択しないと実際の流れとは異なる見え方をしてしまいます。カトウ光研では、実験条件に応じた最適なトレーサー粒子を提案しています。

シュリーレンによる可視化

使用製品

システムシュリーレンSS series

動画では、複数のガスを用意して可視化しています。全て目には見えない無色透明のガスですが、シュリーレンでは可視化することができます。ガス種による密度の違いで、流れの特性を比較することや渦や淀み点など様々な情報を把握することができます。

動画内で可視化したガス種
・二酸化炭素・水素・ヘリウム・酸素・アルゴン・窒素

➡システムシュリーレンのカタログをダウンロードする

流れの可視化に関連する資料・技術コラム

お役立ち資料【プレゼンにも使える】
「PIV入門ガイド｜必要な機材から計測手順までわかりやすく解説」
「PIVって何？」「何ができるの？」「必要な機材は？」などこれからPIVをご検討されている方へ、大まかな概要を掴めるPIVの入門ガイドです。まずはPIVとはどういったものか？ざっくりと把握できます。資料をダウンロードする

お役立ち資料【プレゼンにも使える】
「PIV計測で知っておくべき！トレーサー粒子の基礎知識」
PIVの計測精度に関わる重要なトレーサー粒子についてお調べですか？この資料では、トレーサー粒子を選ぶ時に注意するポイントや特徴をわかりやすく解説しています。まずはトレーサー粒子の概要をつかむのに最適です。資料をダウンロードする

【関連記事】
流れの可視化とは｜歴史から手法まで解説【技術コラム】
流れの可視化は、流体の動きや特性を視覚的に捉えるための技術や手法を総称したものです。流体の動きを直接目で確認することは難しいため、この技術は流体の挙動を理解し、それを基に...「流れの可視化とは」続きを読む

【関連記事】
コアンダ効果とは｜原理や事例を紹介【技術コラム】
コアンダ効果（Coanda effect）は、流体力学における現象の一つで、流体（空気や水など）が曲面に沿って流れる際、その曲面に「引き寄せられる」ように振る舞う現象を指します。...「コアンダ効果とは」続きを読む

【関連記事】
シュリーレン法とは｜密度勾配を可視化する原理の解説から現象動画まで【技術コラム】
シュリーレン法とは、透明体の中に屈折率の異なる部分があるとき、光の進行方向の変化を利用してその部分が明確に見えるようにする光学的手法です。媒質中を伝播する衝撃波や超音波の進行状況、炎による気流の上昇...「シュリーレン法とは」続きを読む