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x (cm) b計測結果の一例 a. .j{j員
J i e u T 1 I
象イテトラポッド川辺の流れ
の透明材料はメタクリル酸メチルをJlJし、た。実験に、''1たって実際上￨問題になったことを以円こ要約する0
・使川したメタクリル酸メチルのhr!折本を計ったところ ].tlR程度であった。このため大量のヨウ化ナ トリウムを必要とした。それでも飽和屈折不に近かったので(図‑4.11参照)，屈折率を完全に合わせ ることはできなかった。
・メタクリル酸メチルは同化したとき表!日がザ ラサ、ラとして1'1濁するので¥透明になるまで磨く必要が あっアこO
・
{ a
いので型枠からはずすとき， 1!!~迎をすると~れるものがあった。・水'1'で・浮くので令体を金網できちっと附定し，動かないようにしたが，なお往復流により左右に少し 仮動する場合があり，尖験後， Ir!rj像解析の￨努，加点の移動など，面倒な付加的作業が必要になった0
・水位三|出Ijにはサーボ式水ド/:，nの'心気fl~t;L を変えて)fJ し 1たが，センサーの触針が電気分解により早く消 滅するため， [ilめの取り持えが必要であった。
図‑4.12
b)
実験には 1
r f l i
アクリルのU字柑ノrJ<fNを川い，j ; ‑
側に設ji'i:したピストンにより振動流を起こす。照明に はアルゴンイオンレーザシート光(序さ 5m m t'l~皮)を川い，鉛 Ir:(rfJr而を照明する。溶液の比重 (1 .4程 度)が大きいので， トレーサーとしてはポリ比(化ビニル純子(比百約1.1 ，平均粒径約 30ILm)を用い た。娠影には尚述ビデオカメラ(第2市:参照)を川い， j.I/師三速度は 750pps (枚/秒)とした。解析には粒f- I~ I ffi)]氾跡 (PTV) ソフト(1l~3本参照)を)IJし1た。
実際の解析においては凶像枚数が多く，屯
f ‑
計算機へのデータの取り込みに非常に長い i時間がかかっ た。また，屈折本が完全には作っていなかったので，テ 卜ラポツド￨ド削M￨凶像処埋でこれをl収収り除くのに千
n
問i問甘がかかつたo またテトラポッドのごく近伐の粒子を追跡することが できなかった。実験装置と計測機器の概要
テトラポッドをシリコンゴム製(周折率1.41)に変えて 結果の概要
図‑4.12.bに流速計測結果の例を示す。現在，
J n
:i折来を下げ，実験を継続中で‑ある。。
高述ピヂオカ〆ラ
b装 円 の 慨lsd図
図‑4.13光3分割撮影装置
4.4. 多波長計測技術の開発の現状
本節では，温度場の画像計測法について測定原理，ならびに既往の研究を紹介する。
(1) 定量計測と波長による画像選択
0 /
レベル羽町illlネ ヅ
定性的な観察では， 目で、見た画面の明暗変化や色調変化によって，濃度分布や温度分布の大体の傾向 を知ることができる。 一方，定量的な計測のためには，何らかの基準や物差しが必要になる。例えば輝 度情報を用いる場合，水槽の光源に近い側と遠い側を比べると，同じ濃度や温度であっても近い側の輝 度が大きく，遠い方が小さい。これを基準化するには，画面内の各部分に届いている光源光強度を知り，
それとその部分の出力輝度の比を取れば良い。例えば蛍光を輝度検出用に使う場合は，通常，光源であ る励起光と出力である蛍光とは波長(帯)が異なるので，光学フィルターにより2種の光を分離して， 2 枚の画像に撮影し，画面の各部ごとにそれらの比を取れば良い。また，著者は，アルゴンイオンレ一ザザ、 で
の緑の光による画像を分離して，それらの比から温度を測定することを提案している。
いずれにしても，画像を波長ごとに分解する機器が必要になる。著者は図‑4.13に示した光3分割装 置を作つ七，この用に供している(補遺III参照)。すなわち，対物レンズ系③から入射した画像を， 2/3， 1/2プリズム①で同ーの3画像に分け，フィルターホルダー①に入れた光学フィルターによって，各波 長の光の画像を得る。カメラ取付部は小型の通常のCCDビデオカメラもしくは著者の開発した高速ビ デオカメラが付けられるようになっている。
(2) 計測原理と既往の研究
蛍光強度は温度， pH等の溶液の性質に依存することが知られている34)35)(表:‑4.7)。このうちこれま で最も良く使われてきたのは温度依存性である。水流では同一画像内の温度の相対変化が 1
o c
程度なの で蛍光強度が大きく変化せず，精度良く温度換算するのが困難であった。このため気流の測定への応用 が先行した36)37)。最近， Nakajimaら38)，亀井ら39)は十分注意深い実験をすればローダミンB等を用表‑4.7蛍光物質の依存性 蛍光物質名 温度 ローダミンB，エオシン
pH ナフチオン酸】クマリン1
フルオレセイン?サリチル酸7
アクリジン?ウンベリフエロン?
酸素分子消光 ナフタレン】アントラセン，PBA，等
いても，温度幅200C程度，精度::t0.5 oC程度の温度測定が可能であることを示， これを水の安定成層し や乱流自然対流場の温度計測に適用している。
4.5.
まとめ
本章ではこれまで著者が開発，検討してきた水流の可視化計測に関述した技術を紹介した。本章で得 られた結果をまとめると以下のとおりである。
第2節では水と PTV用トレーサー粒子の比重整合に関する研究成果を示した。次のような成果が得ら れた。
①PTV用トレーサーとして望ましい性質を整理して示した。
②このうち水運動への追随性に影響を与える要因を整埋して示し，これらのほとんどが比重整合により 解決できることを示した。
③トレーサーとして内部が水，薄膜が比重1に調整されたマイクロカプセルを用いることを提案し，そ の利用，作成に関して必要な情報を文献および実験により収集整理して示した。
③③のマイクロカプセルの製法に関して， 生成時の最適温度条件，ならびに芯物質となる水と膜物質を 溶かしたジクロロメタンの最適比を実験的に明らかにした。
⑤③のマイクロカプセルの周囲水の温度変動に対する追従性を計算により明らかにした。 400μm以下の ものでは， 10Hz以上の温度変動があっても追従できることを示した。
③温度計測，酸素濃度計測等の付加機能を持つマイクロカプセルトレーサーの可能性を検討した。
⑦その他の比重整合法として発泡スチロールの加熱による比重整合法について，最適な加熱温度と加熱 時間の関係を実験的に明らかにした。
第 3節で、は水と水中透明体の屈折率整合に関する研究成果を示した。水と透明体の屈折率整合法につ いて文献調査，実験を行った。実用的には低屈折率透明休と薬品により屈折率を上げた高屈折率水溶液 を用いざるを得ないことがわかった。次のような成果が得られた。
③低屈折率透明体材料と高屈折率水溶液を作るための薬品に関して文献調査，実験を行い，薬品濃度と 透明体材料の屈折率の関係を明らかにした。
③現時点では低屈折率透明体として加工が簡単なシリコンゴム(屈折率1.41)とヨウ化ナトリウム39%の 水溶液を用いるのがよい。
⑬振動流中の透明体のテトラポッド模型周辺の流れと乱れ計測の実験に適用した。その際生じた問題点，
注意事項等を整理して示した。
第4節では温度場の可視化計測法に関する既往の研究を取りまとめて示した。
補遺
I写真‑4.3の水深は5.0cm程度であり，中心にあったマイクロカプセルの10分間の沈降(浮上)距離を 最大で、2.5cmとすると，移動速度は0.042mm/secとなる。ストークスの式より，沈降(浮上速度
) U
pは次式で表される。
1ρ帆 dL.
Up二一(ーと ‑1)g二‑
r 18 'Pf / ，1 Vf
︑I
︐ ノ
TEA ‑Ti fi
︑
上式に重力加速度g二 980cm/sec 2，動粘性係数 νf二 0.01cm 2/sec，粒子の直径d=0.04cm，沈降(浮 上速度)Up=0.0042cm/sec，水の密度ρf=1g/cm3を代入して，マイクロカプセルの密度内を求めた結果，
1. 00048
g /
cm 3であった。よって，相対密度差は0.1%(0.00018)以下である。直接測定するのは困難で ある。補 遺 11 屈 折 率 に 関 す る 参 照 波 長 46)
物質の屈折率は光の波長により変化し， 一般に波長が短くなれば屈折半は大きくなり，波長が長けれ ば小さくなる。物質の屈折率を比較するためには基準となる波長の光が必要となる。
参照基準波長としてアメリカや中国ではナトリウムD線(589.29nm)， 日本やイギリス，インドではヘ リウムd線(587.56nm)，ヨーロッパ諸国を中心として水銀e線(546.07nm)が採用されていた。国際標準 化機構(IS0)は参照基準波長の統一化への努力を行い， 1998年以降全ての光学機器に対する参照基準波 長を水銀e線に一本化することで合意がなされた。このことを受け， 日本においても1998年以降水銀e 線を参照基準波長にすることになっている。
補 遺 111 光3分 割 装 置
光3分割装置はもともと3台の高速ビデオカメラの布効利
J D
のために作られた。このときの目的は次 のようなものであった。①RGBフィルターによる高速カラー撮影
①任意の3種の波長帯による高速撮影
③フィルター無しの高解像度高速撮影
①3台のカメラのMCPのゲーテイング機能の遅延同期による 10，000，000枚/秒までの超高速3枚連続 撮影。
① ③ は 完 全 周 期 に よ る 。 ④ は 遅 延 同 期 に よ る 。
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