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流れを可視化することで、シミュレーションや理論だけでは把握しにくい現象を、実際の流れとして観察・検証できます。
流れを可視化する目的
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。
流れのパターンを把握する：
渦、分離、再循環、噴流の広がりなどを視覚的に確認できます。
シミュレーションや理論と比較する：
CFDなどの解析結果と実際の流れを比較し、モデルや条件設定の妥当性を確認できます。
設計や条件を見直す：
流れの偏り、滞留、乱れなどを確認し、形状や運転条件の改善に役立てます。
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。流体を可視化することで、流れの全体像や時間変化を直接観察し、カメラで記録できます。
また、PIVのような解析手法を組み合わせることで、流速や方向を定量的に評価することもできます。
流体可視化で分かること
流体可視化では、単に流れが見えるだけでなく、現象の発生位置や時間変化を把握しやすくなります。たとえば、以下のような情報を確認できます。
- 流れの方向
- 渦の発生
- 流れの分離・再付着
- 噴流の広がり
- 滞留・よどみ
- 熱やガスによる密度変化
- 条件変更前後の違い
流れを可視化する主な手法
流れの可視化には、対象となる現象や知りたい情報に応じて複数の手法があります。代表的な方法として、トレーサー粒子を使うレーザーシート法、速度を算出するPIV、密度変化を可視化するシュリーレン法があります。
| 手法 | 可視化できるもの | 特徴 | 向いている対象 |
| レーザーシート | 粒子の動き、流れの詳細 | トレーサー粒子にシート状の光を当てて観察 | 気流・水流・噴流・渦 |
| PIV | 流速・流れの方向 | 粒子画像を解析し、速度ベクトルとして定量評価できる | 流体解析、CFD比較、研究開発 |
| シュリーレン法 | 密度変化、温度差、ガスの流れ | 光の屈折を利用し、トレーサーなしで可視化できる | 熱流体、ガス、衝撃波、超音波 |
※関連する製品やカタログは、記事後半の「関連資料・カタログ」にまとめています。
レーザーシートによる流れの可視化
レーザーシートによる流れの可視化は、流れに追従するトレーサー粒子にシート状の光を照射し、粒子からの散乱光を撮影する方法です。気流では煙やミスト、水流では比重の近い粒子などを用いることで、流れの形や時間変化を観察できます。以下の動画では、レーザーシート光源を用いた気流の可視化から、PIV解析による速度ベクトル算出までの流れを紹介しています。
この事例では、レーザーシート光源でトレーサー粒子を照明し、ハイスピードカメラで撮影した画像をPIVソフトで解析しています。気流の可視化では、空気の流れに追従しやすい煙発生器を使用します。
PIVによる流速・方向の計測
PIVは、連続して撮影した粒子画像から流体の移動量を解析し、流速や方向を算出する手法です。
流れの可視化が「流れを見る」ための方法であるのに対し、PIVは流れを数値化して評価できる点が特徴です。
PIVの基本を詳しく知りたい方へ
PIVに必要な機材構成、撮影の流れ、解析で分かることを初めての方向けにまとめた入門資料をご用意しています。PIV入門ガイドをダウンロードする
気体と液体で異なるトレーサー粒子
気流用トレーサー粒子（発生器各種）
散乱光で流れを可視化する場合、流体に追従する微小な粒子を使用します。これをトレーサー粒子と呼びます。気体の可視化では、空気の流れに追従しやすい煙やミストを使用します。液体の可視化では、対象となる液体に対して比重が近く、流れに追従しやすい固体粒子を使用します。
粒子の大きさや比重が適切でない場合、実際の流れとは異なる動きとして見えることがあるため、対象に応じた選定が重要です。
シュリーレン法による密度変化の可視化
使用した主な構成
システムシュリーレン SS series
動画では、複数の無色透明なガスをシュリーレン法で可視化しています。ガス種による密度差を利用することで、流れの違いや渦、よどみ点などを確認できます。
【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
ご検討中の実験対象や現象に合わせて、
可視化・解析方法をご提案します
気体や液体の流れは通常目に見えないため、流れの方向、渦の発生、
分離・再付着、噴流の広がり、滞留・よどみなどを把握しにくい場合があります。
流れを可視化することで、シミュレーションや理論だけでは確認しにくい現象を、
実際の流れとして観察・検証しやすくなります。
「気流や水流の動きを見たい」「条件を変えたときの流れの違いを比較したい」
「PIVで速度分布を評価したい」「シュリーレン法で密度変化を確認したい」
など、目的が明確に固まっていない段階でもご相談いただけます。
まずは技術相談、またはカタログダウンロードからお気軽にご利用ください。
関連資料・カタログ
技術を詳しく知りたい方
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製品・構成を確認したい方
実際に流れを可視化する場合には、対象や目的に応じて光源、ハイスピードカメラ、トレーサー粒子、解析ソフトなどを組み合わせます。関連する製品情報やカタログを確認したい方は、以下をご覧ください。
関連する技術記事
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