第7回 流れの可視化と流体力計測 Flow Visualization...
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流体工学特論
1乱流工学乱流工学乱流工学
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
2流れの可視化流れの可視化流れの可視化
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
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流体工学特論
3可視化手法と適用範囲可視化手法と適用範囲可視化手法と適用範囲
水素気泡法
注入流脈法
感温塗料
懸濁法
油膜法
0.1mm/s 1cm/s 10cm/s 1m/s 10m/s 100m/s M=11mm/s
タフト
電解発色法
スモークワイヤ火花追跡法
光学的手法
液体
気体
流体工学特論
4光源光源光源
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
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流体工学特論
5壁面トレース法壁面トレース法壁面トレース法
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
6油膜法による流れの可視化油膜法による流れの可視化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
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流体工学特論
7油膜法による可視化例(1)油膜法による可視化例(1)油膜法による可視化例(1)
流体工学特論
8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(油膜法による流れの可視化(22))
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流体工学特論
9数値解析によるオイルフロー表示数値解析によるオイルフロー表示数値解析によるオイルフロー表示
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)
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
流体工学特論
10タフト法の特徴タフト法の特徴タフト法の特徴
•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
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11タフト法タフト法タフト法
•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
12注入流脈法注入流脈法注入流脈法
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
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流体工学特論
13注入流脈法注入流脈法注入流脈法
・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
14流動パラフフィンミスト発生装置流動パラフフィンミスト発生装置流動パラフフィンミスト発生装置
ミストオイルタンク
コック
ブロワ
ヒーター
グラスウール
空気
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流体工学特論
15ドライアイス法ドライアイス法ドライアイス法
ドライアイス
水
ミスト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
流体工学特論
16四塩化チタン四塩化チタン四塩化チタン
•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
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流体工学特論
17色素流脈法色素流脈法色素流脈法
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
18注入流跡法注入流跡法注入流跡法
シャボン玉 ライポン20%液
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流体工学特論
19懸濁法懸濁法懸濁法
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
20水素気泡法水素気泡法水素気泡法
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
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流体工学特論
21電極の形状と水素気泡の軌跡電極の形状と水素気泡の軌跡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
パルス電圧
流体工学特論
22電圧装置(例)電圧装置(例)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
サイリスタ サイリスタ
+
-
+ -
反転増幅回路
パルスジェネレータ
50~150 μmQ=0.396×10-3(273+θ)i [cm3/s]
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23火花追跡法火花追跡法火花追跡法
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
24ゴルフボール周りの流れゴルフボール周りの流れ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
25スモークワイヤ法スモークワイヤ法スモークワイヤ法
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
直流電源
ディレイ回路
ストロボ
スイッチング回路
制御装置
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)
流体工学特論
26風洞ノズルの整流風洞ノズルの整流風洞ノズルの整流
整流装置
カメラ 制御装置
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流体工学特論
27金網による整流効果金網による整流効果金網による整流効果
流体工学特論
282次元噴流の可視化22次元噴流の可視化次元噴流の可視化
マルチスモーク
トリガ信号↓
流れと同期
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流体工学特論
29パンタグラフモデルパンタグラフモデルパンタグラフモデル
U=5m/s1/15モデル
流体工学特論
30新幹線先頭モデル新幹線先頭モデル新幹線先頭モデル
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流体工学特論
31光学的手法光学的手法光学的手法
nCC
ji
==2
1
sinsin
i
j
光源
光速C1
光速C2
ρ+= Kn 1
媒質中の温度・密度の不均一→屈折率の変化
気体 n~1Gladstone-Daleの式
流体工学特論
32シャドウ・グラフシャドウ・グラフシャドウ・グラフ
スクリーン
2
20
ydyddI
yKddz
ynK
y
dy
∂ρ∂
∝ε
∝
∂ρ∂
≈∂ρ∂
=ε ∫
観測気体
d
z
y
光源 εy
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流体工学特論
33シュリーレンの撮影例シュリーレンの撮影例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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• 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
シュリーレン法シュリーレン法シュリーレン法
スクリーン
αε
∝yF
IdI
2
ナイフエッジ
測定対象
光源 カメラ
F2焦点距離
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流体工学特論
35シュリーレン法のレイアウトシュリーレン法のレイアウトシュリーレン法のレイアウト
流体工学特論
36シュリーレンの撮影例シュリーレンの撮影例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
シャドウグラフとの比較
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流体工学特論
37カラーシュリーレン法カラーシュリーレン法カラーシュリーレン法
超音速噴流(M=2)D=9mm
流体工学特論
38マッハツェンダ干渉法マッハツェンダ干渉法マッハツェンダ干渉法
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
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流体工学特論
39密度と干渉縞の関係密度と干渉縞の関係密度と干渉縞の関係
)12(2
10 −
λ+ρ=ρ N
dK
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撮影事例撮影事例撮影事例
タービン翼列Re=8×105 酸水素炎
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流体工学特論
41流体力の測定流体力の測定流体力の測定
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
42市販のロードセル装置市販のロードセル装置市販のロードセル装置
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流体工学特論
43ロードセルの原理ロードセルの原理ロードセルの原理
金属細線
力F
電気抵抗R
ブリッジ回路
流体工学特論
44風洞における流体力の測定風洞における流体力の測定風洞における流体力の測定
ロードセル
風洞ノズル
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流体工学特論
45ストラット型(自動車)ストラット型ストラット型((自動車)自動車)
流体工学特論
46ストラット型(航空機)ストラット型(航空機)ストラット型(航空機)
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流体工学特論
47最新F-1用風洞最新最新FF--11用風洞用風洞
流体工学特論
485ベルト方式
(ダイムラークライスラー)
55ベルト方式ベルト方式
(ダイムラークライスラー)(ダイムラークライスラー)
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流体工学特論
49吊り下げ型吊り下げ型吊り下げ型
流体工学特論
50磁力支持天秤装置磁力支持天秤装置磁力支持天秤装置
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ヨーイングモーメント 6.8N・m
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流体工学特論
51パンタグラフ揚力測定実験パンタグラフ揚力測定実験パンタグラフ揚力測定実験
ロードセル用ワイヤ
流体工学特論
52揚力特性改善実験揚力特性改善実験揚力特性改善実験
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流体工学特論
53測定結果測定結果測定結果
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15スロープ角度 [deg]
揚力
[N
]
1/3 スケールモデル
集電パンタ(なびき) 270km/h
流体工学特論
54揚力測定実習揚力測定実習揚力測定実習
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
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流体工学特論
55測定例測定例測定例
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 5 10 15 20 25 30
α(°)
Cl,
Cd
Cl Cd
Lift
Drag