気体・液体の流れ

「気体や液体の流れを可視化する」とは?

「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。流体の検証には、シミュレーション結果だけでは不十分と考える技術者も多く、実際の流れを評価するニーズは高まりを見せています。

気体・液体の流れを”可視化して計測する”

気流の可視化とPIV計測のイメージ

PIV Laser(レーザーシート光源)を使った「流れの可視化」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(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。撮影された画像をPIVソフトウェアで解析をして速度ベクトルを算出しています。可視化から解析までのイメージにご参考ください。

撮影した流体画像の輝度情報から、流体の速度を算出することもできます。可視化だけではあくまで定性的な方法ですが、PIVでは流速を数値化して定量的に流体を評価することができます。

レーザーシート光源による流れの可視化

流れの可視化とは【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

流れの可視化の重要性と目的

流体の流れは、理論的アプローチ、数値計算、そして実験によって解析されます。その中でも、流れの可視化は特に重要なツールとして位置づけられています。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ないためです。流れの可視化技術を用いれば、流体を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となります。この技術により、特定の時点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ができます。

流れを可視化する方法は大きく2つに分けられます。トレーサー粒子からの光の散乱、流体の屈折率の変化を利用した光学的手法です。これらの手法は、流れの内部や外部のパターンを明確にするため、また流体と固体間の物理的な相互作用を理解するために用いられます。

流れを可視化する代表的な手法

  • 粒子からの光の散乱→PIVレーザーシート光源による流れの可視化
  • 流体の屈折率の変化→シュリーレン法
カルマン渦の渦度を計測_PIVとは

PIVとは【技術コラム】

PIVは、Particle Image Velocimetryの略で粒子画像流速測定法を意味し、流れ場における多点の瞬時速度を非接触で得ることができる流体計測法になります。流れ場の空間的な構造を把握することができるため...「PIVとは」続きを読む

ろうそくの熱流体を可視化_シュリーレン法とは

シュリーレン法とは【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

トレーサー粒子を使う手法

気流用トレーサー粒子のラインナップ画像

気流用トレーサー粒子(発生器各種)
製品ページ

液相用トレーサー粒子の画像

液相用トレーサー粒子(固体粒子)
製品ページ

粒子からの光の散乱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します。

気流には煙(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。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ご提案しています。

トレーサー粒子の違いによる計測結果の違い(液相)

【PIV】液相用トレーサー粒子の評価

液相のPIVを事例として、トレーサー粒子を比較しました。粒子の大きさ(粒径)、比重の違いで比較しています。実験は、3種類の粒子で比較しています。

粒径 / 比重
  • 上段:10μm / 1.02
  • 下段左:90μm / 1.01
  • 下段右:250μm / 1.01

動画後半では、PIVで算出した流線を表示しています。同じ流体でもトレーサー粒子によって計測結果に違いが出てしまうことが分かります。粒子径と比重以外にも発光効率や材質、光源の出力、撮影視野角からPIV計測に適したシステム構成をご提案いたします。

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