燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

(1)

燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

著者大嶋元啓

雑誌名第6回技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手

法の基礎と応用」

ページ 1‑19

発行年 2005‑12‑10

権利同志社大学エネルギー変換研究センター

URL http://doi.org/10.14988/re.2017.0000015741

(2)

Doshisha University–Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Lab. –

燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

同志社大学大学院工学研究科大嶋元啓

学術フロンティア「次世代ゼロエミッション・エネルギー変換システム」2005.12.10

技術セミナー「噴霧燃焼過程の工学的手法の基礎と応用」

1. 噴霧と光学的計測

2. レーザー誘起蛍光（ LIF ）法の解説 3.シュリーレン撮影法の解説

4. シャドウグラフ撮影法の解説

(3)

Can You catch up a Finger Print of God !?

(1)個々の粒子に関する評価項目

液滴の形状（球形？，非球形？）

(2)粒子群に関する評価項目

粒径分布，平均粒径（

SMD etc

）

(3)噴霧の運動に関する評価項目

噴霧粒子の濃度，運動する粒子群の粒径測定

(4)噴霧構造に関する評価項目

A/F（中空噴霧？，中実噴霧？）

◎噴霧 ⇒ 神の作りしもの

◎噴霧特性の評価項目

噴霧の光学的計測

いまだ不明な部分が存在する

実現象への確実な把握

（catch up a finger print of god）

噴霧の光学的計測法の分類

噴霧

粒径・粒速

レーザー散乱計測位相ドップラー法透過光減衰法

レーザー誘起蛍光法（

LIF

）

その他

画像による計測法（PIV，PTV eｔc）

・

シュリーレン撮影シャドウグラフ撮影

・

直接撮影

(4)

レーザー誘起蛍光法（LIF）の原理

◎レーザー誘起蛍光法（

Laser Induced Fluorescence)

ある特定の原子や分子が適切な波長のレーザー光により励起され，それが基底準位に戻るときに発生する蛍光を検出するもの

基底状態励起状態

（エネルギの高い状態）

レーザー光

①

②

③励起

④ 蛍光

④ 失活

◎単位面積あたりの蛍光強度

0 3 1

,

0

dD

dD D dn C e I z r

I

_f ^kx ⇒液滴径の3乗に比例する

レーザー誘起蛍光法（ LIF ）の光学系

CCD Camera with I.I. (B) Nd:YAG laser (l=266nm)

Injector Pin hole Cylindrical

lenses Control circuit

Pulse generator

Band pass filter (l=266nm 17nm FWHM)

PC

(5)

TMPD = N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine TEA = triethylamine

Fluorescence Wavelength of Tracers

Molecular

Weight B. P. [K] l [nm]

(Fluorescence)

Tracer l [nm]

(Laser)

acetone 58.08 330

(CH

₃

COCH

₃

) 266 417

benzene 78.11 354 266

(C

₆

H

₆

) 280

TEA 101.19 362 266

((C

₂

H

₅

)3N)

^N

350 3-pentanone 86.13 374.5

(C

₂

H

₅

COC

₂

H

₅

) 266 408

tetralin 132.21 480.2

(C

₁₀

H

₁₂

) 266 330

TMPD 164 533 266

(C

₁₀

H

₁₆

N

₂

)

^N ^N

400 anthracene 178.23 613

(C

₁₄

H

₁₀

) 266 407

Molecular Structure

O

pyrrole

67.09 403 266

(C

₄

H

₅

N) 510

O

H N

10

^-2

10

^-1

10

⁰

10

¹

10

²

10

³

10

⁴

10

⁵

10

⁶

10

⁷

10

⁸

10

⁹

10

¹⁰

10

¹¹

10

¹²

γ線

X線

紫外線赤外 μ波ラジオ波

紫青緑黄橙赤紫外可視領域

遠紫外

100 200 300 400 500 600 700

1196 595 399 298 239 199 170

100000 50000 33333 25000 20000 16666 14285

波数[cm^-1

]

エネルギーの

スペクトル[kJmol^-1

]

波長[nm]

波長のスペクトル[nm]

電磁波スペクトル

(6)

Fluorescence Wavelength of Tracers

Wavelength λ [nm]

F u o re sc en c e in te n si ty [ A .U .]

250 300 350 400 450 500 550 600

18 15 12 9 6 3 0

X 10

³

3-pentanone acetone tetraline TEA pyrrole TMPD anthracene

In te n s it y o f fl u o re s c e n c e [ A .U ]

Wavelength [nm]

200 250 300 350 400 450 500

0 10 20 30 40 50 60 70 80

C

₅

H

₁₂

C

₆

H

₁₄

C

₈

H

₁₈

C

₁₂

H

₂₆

C

₁₅

H

₃₂

C

₁₆

H

₃₄

×10³

Fluorescence Wavelength of Fuels

(7)

0 10 20 30 40 50 60 70

250 300 350 400 450 500 550 600

Acetone

i-Octane（C

₈

H

₁₈）

TMPD

n-dodecane

（

C

₁₂

H

₂₆）

Anthracene

n-hexadecane（C

₁₆

H

₃₄

)

In te n s it y o f fl u o re s c e n c e [ A .U ]

Wavelength [nm]

×10³

Fluorescence Wavelength of

Tracers and Fuels

2 4 6 8 10 12 14

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

R e la ti ve f lu o re s c e n ce i n te n si ty

Tracer mixing ratio [vol%]

Fuel

：

Tridecane Tracer

：

Tetraline

蛍光剤の混合割合におけるLIF強度の変化

(8)

t/t

_inj

=1.0 t/t

_inj

=1.25 t/t

_inj

=1.50 t/t

_inj

=2.0 t/t

_inj

=2.5

low

40

high

50 60 70 80 40 50 60 70 80 40 50 60 70 80

D is ta n c e fr o m n o zz le t ip ［ m m ］

Fluorescence Images of TMPD in Multi-component Fuel

(P

_inj

= 72MPa, T

_a

=700K,

_a

=15kg/m

³

)

Fuel (a) 6

：

3

：

1 Fuel (c) 1

：

3

：

6 Fuel (b)

1：1：1

a:b:c = i-Octane

：

n-Dodecane

：

n-hexadecane

噴霧におけるLIF法より把握できる情報

◎発光の強さより．．．

⇒温度場，濃度場の可視化も可能

（燃焼の場合は有効）

◎蒸気相の存在領域の把握

⇒Mie散乱撮影等組み合わせることにより可能

◎噴霧画像

⇒混合燃料の場合，ある種の燃料の存在領域を把握することが可能

◎噴霧の蒸気濃度分布の準定量的な把握

⇒統計力学的エントロピー

)}

ln(

) ln(

) {ln(

))}

( ln(

) ( { ) ln(

I

_max

I

_tl

M I

_tl

i I i I I

_max

I

_tl

S - +

= - å

(9)

N o rm a li ze d f lu o re s ce n c e in te n s it y [A .U .]

Distance from nozzle [mm]

Anthracene (n-hexadecane)

0 0.8 0.6 0.4 0.2

1.0 TMPD (n-dodecane)

t/t

_inj

=1.0 t/t

_inj

=1.25

t/t

_inj

=1.5 t/t

_inj

=2.0

35 45 55 65 75 85 35 45 55 65 75 85 90

Fluorescence intensity of TMPD & anthracene on the central axis with TAI (P

_inj

=112MPa, i-Octane

：

n-Dodecane

：

n-hexadecane=1:1:1 )

LIF の画像より解析した例

Statistical entropy at TMPD and anthracene (P

_inj

=72MPa,T

_a

=700k,

_a

=15kg/m

³

)

E n tr o p y S [ A .U ]

Dimensionless time [t/t

_inj

]

TMPD in Fuel(a) TMPD in Fuel(c) anthracene in Fuel(a) anthracene in Fuel(c)

1.0 1.25 1.5 2.0 2.5

0.2 0.6

0.4 0.8 1.0

1.75 2.25

LIFの画像より解析した例

Fuel(a)＝6：3：1 Fuel(b)＝1：3：6 a:b:c

= i-Octane

：

n-Dodecane

：

n-hexadecane

(10)

LIF 法を使用した応用例（ LIF ， Mie 同時撮影の光学系）

Nd:YAG laser (l=266nm)

PC CCD Camera

with I.I. (Mie) PC

CCD Camera with I.I.(LIF)

Chamber Image processor

Injector Pin hole Cylindrical

lenses

Control circuit

Pulse generator

Band pass filter (l=307nm 10nm FWHM)

Band pass filter (l=266nm 17nm FWHM)

DVS-3000

30

90 Distance from spray axis [mm]

High

0 Low 255

#1

#2

#3

0 30 30

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0

Time after injection stop [ms]

#1: X

_C5H12

=0.8 #2: X

_C5H12

=0.6 #3 X

_C5H12

=0.0

D is ta n c e f ro m n o z z le t ip Z [m m ]

Temporal Change in Vapor Distributions

with LIF Method (p amb =20[kPa])

(11)

S ta n d a rd d e v ia ti o n o f v a p o r re g io n S

a

0 10 20 30 40 50

0 2 4 6 8

Time after injection stop [ms]

0.65 0.75 0.85 0.95

E n tr o p y S

100[kPa]

20[kPa]

10[kPa] 50[kPa]

Ambient pressure p

_amb

S

_a

= n

n i å

=1 ( I(i) - I )

²

Standard deviation of luminosity

)}

ln(

) ln(

) {ln(

))}

( ln(

) ( { ) ln(

I

_max

I

_tl

M I

_tl

i I i I I

_max

I

_tl

S - +

= - å

Statistical thermodynamics entropy

Statistical Thermodynamics Entropy and Standard Deviation of Vapor Region (X C5H12 =0.6)

LIFを用いた新たな試み

◎光学式パタネータを用いた噴霧液滴粒径の計測法

単位面積あたりの蛍光強度

0 3 1

,

0

dD

dD D dn C e I z r

I

_f ^kx

単位面積あたりの散乱光強度

0

2 2

0

, ,

, dD

dD D dn Q

C e I z r

I

_s ^kx _sca

蛍光強度と散乱光強度の比

z r I

z r I C C z Q

r D

s sca f

, , ,

, ,

2 1

32 32

ザウタ平均粒径

(SMD) I r z z r I z K r D

s f

, 1 ,

32

,

Mie

散乱光励起蛍光

同時撮影

強度解析

ザウタ平均粒径

(SMD)

分布

(12)

シュリーレン撮影の原理

◎Schliere [ドイツ語]

⇒空気やガスの中に出来る光学的なムラ

カメラレンズシュリーレンレンズ

◎測定対象

⇒噴霧における密度ムラを捕らえる

シュリーレン撮影の理論

2 2

1 1 1

I h f f L d

c I s s s dy

h f

2

K点における光束の変位 h

コントラストc

シュリーレン感度

E

¹ ²

1

h s c f

E s

K

点においてナイフエッジを設置するとS

₁ /S倍に暗くなる

(13)

シュリーレン撮影における光学系

◎光源

点光源が望ましい．理想的なもの

：キセノンランプ，水銀灯，レーザー

・水銀灯

⇒ カラーシュリーレンには不向き

・レーザー

⇒ 直進性が良いため光学装置の設定楽

⇒ 出力が安定

⇒ 干渉性が高い（He-Neレーザー等）

◎凹面鏡又は凸レンズ

◎ナイフエッジ

⇒感度を作用する

⇒運動している方向の反対側からナイフエッジを切ると良好凹面鏡 ⇒ 色収差，球面収差あり，高価，コンパクト可凸レンズ ⇒ 色収差，球面収差なし，大口径化可

ナイフエッジについて

◎円孔，円形

⇒観測部における密度勾配がどの方向でも得られる．

ピンホール等

◎矩形

⇒ナイフエッジの入れる方向の逆より密度勾配かみそりの刃

カッターナイフの刃

(14)

シュリーレン撮影の光学系

PC High speed

video camera Control Unit

Knife edge Mercury Lamp

Schlieren mirror Schlieren mirror

Mirror

Injector

0.8 0.6

0.4 30 0 30

X _C5H12

D is ta n c e f ro m n o z z le t ip Z [m m ]

T _s =300K

T _s = 673K

0 40 80

40

80

0.0 シュリーレン撮影の例（FS-CVD法における減圧沸騰噴霧）

0 Radial distance from injector [mm]

溶液：TEOS+n-Pentane混合溶液

P

_amb

=20KPa

(15)

噴霧におけるシュリーレン撮影法より把握できる情報

◎画像

◎噴霧角

◎ペネトレーション

◎蒸気濃度分布

⇒蒸気濃度分布を把握する検定が必要

◎密度分布

⇒コントラストより算出可だが実際には非常に困難原理的には．．．

2 2

1 1 1

I h f f L d

c I s s s dy

現象の定性的な把握・密度変化部の位置検出可視化に用いることが多い

シュリーレン撮影画像からの画像解析例

（FS-CVD法における減圧沸騰噴霧の噴霧角）

X

_C5H12

=0.4

X

_C5H12

=0.0 X

_C5H12

=0.6 X

_C5H12

=0.8

T

_s

=298K T

_s

=673K

Ambient pressure P

_amb

[KPa]

0 20 40

S p ra y c o n e a n g le [ d e g ]

60 80 100

45 40 35 30 25 20 50 55 60

Ambient pressure P

_amb

[KPa]

0 20 40

S p ra y c o n e a n g le [ d e g ]

60 80 100

45 40 35 30 25 20 50 55 60

溶液：

TEOS + n-pentane

(16)

(X _C5H12 =0.4,T _s =673K,P _inj =110KPa)

20KPa 10KPa 50KPa 80KPa 100KPa

0 1 2 3 4 5

60 50 40 30 20 10 0 70 80 90 100

Time after injection start t [ms]

S p ra y t ip p e n e tr a ti o n [ m m ]

6 7

シュリーレン撮影画像からの画像解析例

（FS-CVD法における減圧沸騰噴霧のペネトレーション）

シャドウグラフ撮影の原理

◎原理

気体あるいは液体の密度変化の光の影を観察するもの

影写真の明暗は密度分布の二次微係数に比例する

2 0 2 0

E

L

d

DK dx

E dy

d y

dy

L A

θ

A B

B

D

スクリーン物体

（y方向に密度勾配）

y

(17)

シャドウグラフ撮影の光学系（RCEMを用いた噴霧の観察）

Ar

⁺

laser

High speed video camera Plano-convex lens

Mirror Reflection mirror Quartz glass

Schlieren mirror

シャドウグラフ撮影の例（混合燃料のRCEMにおける噴霧）

100 X

_C5H12

=0.0

1.0 3.0 5.0 7.0 9.0 0

50 Time after injection start [ms]

D is ta n c e f ro m n o z z le t ip [ m m ]

X

_C5H12

=0.50

0

50

100 Fuel：n-tridecane + n-pentane

(18)

噴霧におけるシャドウグラフ撮影法より把握できる情報

◎画像

◎噴霧角

◎ペネトレーション

2 0 2 0

E

L

d

DK dx

E dy

◎密度分布

⇒ シャドーグラフ撮影法の理論式より

◎温度分布

現象が一次元の場合，原理的には．．．

シャドウグラフ撮影を現象の可視化に用いることが多い感度的な問題より現実的には不可能

シャドウグラフ撮影法の画像よりの解析例

（ Spray Tip Penetration of C5/C13 Mixed Fuel)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0 10 30 20 50 40 60 70

Time after injection start [ms]

S p ra y t ip p e n e tr a ti o n [ m m ]

X

_C5H12

=0.0

X

_C5H12

=0.25

X

_C5H12

=0.50

X

_C5H12

=0.75

X

_C5H12

=1.0

(19)

シャドウグラフ撮影画像からの解析例

（Spray Dispersion Angle of C5/C13 Mixed Fuel)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0

0 5 10 20

15 X

_C5H12

=0.0 X

_C5H12

=0.25 X

_C5H12

=0.50 X

_C5H12

=0.75 X

_C5H12

=1.0

Time after injection start [ms]

S p ra y d is p e rs io n a n g le [ d e g .]

噴霧の光学的計測についての資料等

◎書籍・Web等

大澤敏彦，小保方富夫，「レーザー計測」，裳華房浅沼強，「流れの可視化ハンドブック」，朝倉書店レーザー計測ハンドブック編集委員会，

「レーザー計測ハンドブック」，丸善

Anfo World.com

「

http://www.anfoworld.com/Schliere.html

」日本液体微粒化学会，「アトマイゼーションテクノロジー」，森北出版同志社大学噴霧燃焼工学研究室，「http://comb.doshisha.ac.jp」

燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

著者 大嶋 元啓

雑誌名 第6回技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手

法の基礎と応用」

ページ 1‑19

発行年 2005‑12‑10

権利 同志社大学エネルギー変換研究センター

URL http://doi.org/10.14988/re.2017.0000015741

燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

同志社大学大学院工学研究科 大嶋元啓

目 次

1. 噴霧と光学的計測

2. レーザー誘起蛍光（ LIF ）法の解説 3.シュリーレン撮影法の解説

4. シャドウグラフ撮影法の解説

Can You catch up a Finger Print of God !?

(1)個々の粒子に関する評価項目

(2)粒子群に関する評価項目

SMD etc

(3)噴霧の運動に関する評価項目

(4)噴霧構造に関する評価項目

A/F（中空噴霧？，中実噴霧？）

◎噴霧 ⇒ 神の作りしもの

◎噴霧特性の評価項目

噴霧の光学的計測

噴霧の光学的計測法の分類

LIF

レーザー誘起蛍光法（LIF）の原理

Laser Induced Fluorescence)

,

dD

dD D dn C e I z r

I

レーザー誘起蛍光法（ LIF ）の光学系

CCD Camera with I.I. (B) Nd:YAG laser (l=266nm)

Injector Pin hole Cylindrical

lenses Control circuit

Pulse generator

Band pass filter (l=266nm 17nm FWHM)

PC

TMPD = N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamine TEA = triethylamine

Fluorescence Wavelength of Tracers

Molecular

Weight B. P. [K] l [nm]

(Fluorescence)

Tracer l [nm]

(Laser)

acetone 58.08 330

(CH

COCH

) 266 417

benzene 78.11 354 266

(C

H

) 280

TEA 101.19 362 266

((C

H

)3N)

350

3-pentanone 86.13 374.5

(C

H

COC

H

) 266 408

tetralin 132.21 480.2

(C

H

) 266 330

TMPD 164 533 266

(C

H

N

)

400

anthracene 178.23 613

(C

H

) 266 407

著者大嶋元啓

雑誌名第6回技術セミナー「噴霧燃焼過程の光学的計測手

権利同志社大学エネルギー変換研究センター

同志社大学大学院工学研究科大嶋元啓

目次