PIVとは

PIVのメリットは非接触で流体の速度を測定できることです。
これは流体中に粒子を散布し、レーザーシート光を用いて粒子の動きを捉えることで、流れに触れることなく速度情報を取得できるという意味になります。
非接触で測定できる利点は、測定対象の流れに対して物理的な影響を与えないので、自然な状態の流れを対象とすることができます。

特に微細な流れ構造や乱流の研究において重要な要素となります。
また高温や高圧、有毒や腐食性のある流体など、接触で計測を行う流速計では困難な環境下でも、適用可能であるため幅広い研究分野において利用ができます。

PIVではハイスピードカメラを使用して粒子の動きを捉えることで、短い時間間隔で多くの画像を撮影することができます。
そのため瞬時の速度データを大量に取得することが可能になります。
これにより、流れの変化を細かく捉えることができ、時間的に解像度が高いデータが得られます。

この高い時間分解能は、乱流のような複雑で急速に変化する現象を研究する際に非常に有益です。
乱流は不規則で短い時間スケールの変動が多く、十分な解像度で測定することが困難です。
しかし、PIVによって高い時間分解能で速度データを取得できるため、乱流の微細な構造やダイナミクスを正確に分析することが可能になります。

PIVでは、流体中の広範囲な速度場を同時に測定することができます。
これにより、流れ全体の様子を把握することができ、局所的な特徴も詳細に調べることが可能です。

広範囲な速度場を同時に測定できる特長は、さまざまな応用研究に役立ちます。
例えば、航空機を対象とした空気力学において、PIVを用いて翼周りの流れや胴体周りの流れを高い空間分解能で観測できます。
このことから、抗力の低減や効率の向上を図ることができる設計の検討が可能となります。

PIVでは得られた速度データからポスト処理により、さまざまな流れの特性（例：渦度、レイノルズ応力、乱流エネルギーなど）を計算できます。
これにより、研究者は流れのダイナミクスやエネルギー伝達、物質輸送などの現象を理解し、より効率的な技術開発につなげることができます。

瞬時速度ベクトル

瞬時速度ベクトルは流体中の粒子の速さと方向を、ある瞬間において表す量です。
連続した2枚の画像から粒子の移動距離と時間をもとに、ある瞬間における流体の動きを示すベクトルです。

平均速度ベクトル

一定の期間に渡って測定された瞬時速度ベクトルの平均値です。
流れの時間的な変動を考慮して、その期間における流れの代表的な速さと方向を表すベクトルです。

渦度

渦度は流れの回転性を表す量で、流体の回転運動の強さを評価するために使用されます。
PIVで得られた速度ベクトルから渦度を求めることができます。
渦度が高い場所では、流れの複雑さや渦の生成が起こりやすくなります。

渦度が分かると流れの安定性、乱流の発生メカニズム、渦と流れの相互作用など、流体の特性について研究することができます。
そのことから航空機の空気力学や水流の制御、環境工学などの様々な工学分野で活用されています。

レイノルズ応力

乱流における流体粒子の速度変動によって生じる応力成分を表す物理量です。
乱流は不規則な速度変動を伴うため、流れの構造に応力が発生します。
ここで発生した応力は流体の運動に影響を与え、エネルギー伝達や渦生成、物質輸送などの現象に関与しています。

レイノルズ応力は、乱流の特性やエネルギー伝達メカニズム、流れの安定性などを理解する上で重要です。
PIVを用いてレイノルズ応力を正確に計算し、乱流現象の解析に役立てることができます。

乱流エネルギー

乱流における速度変動のエネルギーを表します。
乱れの強度や流れの特性を評価する上で重要なパラメータです。

乱流エネルギーを求めることで、流れ中でのエネルギー伝達や散逸のメカニズムの理解に役立ちます。
このことは、乱流の制御やエネルギー効率の向上につながります。

また数値シミュレーションや理論モデルの検証・改善に役立ち、より正確な予測や解析につながります。