Flow Visualizationとその応用 （第1報：水流の可視化）

Flow Visualizationとその応用

     （第1報：水流の可視化）

栗 須 正 登＊， 田 中 清 裕＊

Flow Visualization and Its Applications

       by

Masato KURISU and kiyohiro TANAKA

   （Depar亡ment of Mechan三cal Engineering）

  Flow VisuaHzation does act vevy important dutties in fluid engineering． Authers visuslize many f】ows in a fluid machinery as a research technique．

  In this paper， we described， mainely， about flow visualization in a water． Especially， we indruduced the sectional visualization which was deveIoped in our labovatory．

  At a water flow visualization， it has mauy troubles． They are tracers， i】lumination and time of ex・posure． We mentioned about these methocls and numerical vaiues， standing upon our experlences．

1．緒   言

 流体工学において流れの可視化の果たす役割は大き い．筆者らも，流体機械の研究手段の一つとして．問 題に応じて，各種の流れの可視化を行なっている．

 この報告では，水流の可視化について，述べたもの で，とくに，水流の断層写真については，筆者らが開 発した2，3の方法を紹介した．

 水流の可視化については，トレーサ，照明及びカメ ラ露出などに問題が多い．これらの具体的な方法や数 値などについて，筆者らの経験をもとにして，まとめ て記載してあり，流れの可視化に当って，各方面の参 考に供したい．

2．表面流の撮影

2．1 アルミ粉末（銀粉）による可視化

2．1．1撮影法

 この種の撮影において重要な要素は，モデル内の流 れの速度と照明方法，および，カメラの紋りとシャッ

タースピードである．

 一番簡単で，一般的なものは，トレーサーとして，

アルミ粉末（銀粉）を用いるもので，これには，先

＊機械工学科

ず，回流水槽にモデルをセットした後，モデルの上面 すれすれに，水を満たし，水槽内に問題に適した流れ を作る．

 その後，墨汁を入れて，水全体を均等に，真黒にし て，完全に水槽の底面が，見えないようにする．

 この撮影において，墨汁の効果は，2つあり，その 1は，水槽底面が，見えなくなる・こ・と，その2は，墨 汁を入れることにより，銀粉がクッキリと浮き上がっ て見えるようになり，流線が，スッキリして撮：れるこ とである．

 次に，アルミ粉末を適量散布する．筆者らの経験に よると銀粉の量は，多いと都合が悪く，むしろ少なめ の方が，好結果が得られる場合の方が多い．

 流れを送り込む方法としては，あらかじめモデルの 入口に簡単なブリキ製水路をセットし，モデル入口か ら幾分離れた距離の水路の中央に小型水中モーター

（Fig．1参照）を置いて，直流電源で駆動し流速を 制御する．

2．1．2 カメラの撮影条件

 上述のように装置が整ったならば，照明を行なって 撮影する．照明方法は極めて重要な要素で，写真の良

Fig．1Baby Propeler Motors．

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し悪しを大きく，左右するので，慎重に検討しなけれ ばならない．このため，当研究では，外部からの光の 侵入を防ぐために，大形の暗室内（巾2．5m，奥行5．5 m，高さ2．5m）で行ない， Fig．2のごとく4方45度 の角度から300wライトを用いて照明をしている．こ の4方45度なる照明角度は，まわりの物体の影を水面 に映さないためと，光源の反射光が，カメラに入らな いようにするために，非常に有効である．さらに，ラ イトの水平高さは，カメラより高くして直接，光がカ メラに入ることを防ぐ．カメラを取り付ける三脚は天 井面に固定して，倒立させ，床上の作業を容易にさせ るとともに，三脚の影が写真に入らないようにする．

 以上の準備が完丁した後，水面における照度（ライ ト4個分）を測定して露出計より大体のカメラの紋り と，シャッタースピードを見当づける．この時，撮壁 面の中心に照度計を，もっていき，各々のライトの強

さが，完全に一致するよう調整する．この手段として，

個々のライトに多少の強度の違いがあるので，この分 はライトの距離を加減して，明るさのむらをなくする．

シャッタースピードは，水の流速を考慮して決定する．

Table 1に当研究室で行なっている，カメラの撮影条 件を示した．

2．1．3応用例

 このトレーサーを用いた写真は，簡単なため，手軽 に撮れるが，流れの概括的な様子が知れて，都合が良 い．以下，2〜3の応用例を，紹介する．

◎聴

シ

孫

Water Tahl、

（）

 Canlera

そ、

終

        （b）

Fig．2 Arrangement for A Camera and     Lamps．

 Fig．3は，流量測定に用いられるオリフィスの流 れを示した．オリフィス後流の乱れが良く知れる．

 Fig．4（a〜c）は，筆者らが進めた工場換気の研究

（1）の1例で，新鮮空気の送入孔と，汚染空気の排出 孔の関係を調べたもので，◎図のように部屋の隅では，

Dead Zoneが，発生している模様が，知れる．

 Fig．5は，当研究室で開発した， Vortex吹き出 し口近くの流れを示したもので，同じく，Fig．6は，

汚染防止形吹き出し口よりの吹き出しの状況を示した．

Table l Conditions for Photographing．

照 ^明

話角剣踊躍

50〜

200ルクス

100〜

500ルクス

カメ うの露：出

絞  り シャッタ

・速 度

4−5・6レ鰯秒

カメラと水面

の 距 離

1m

流れの代表速度  （cm／sec）

10〜20

Fig．3 Flow near Orifice Ring．

（a）

Fig．4

（b）

Flow in Chambers．

（c♪

Fig．5 Flow from Vortex Diffuser． Fig．6 Flow from Uniti Stain Diffuser．

2．2発泡ポリスチロールによる可視化

2．2．1撮影法

 二次元表面流流線写真を撮る場合に，流れが層流の ときは，アルミ粉末トレーサが徒来から用いられてお り，都合が良い，しかし，乱流になれば，アルミ粉末 では撮影出来なくなり，このような場合はトレーサの 寸法を，大巾に大きくすれば良く，筆者らは，5〜6 mの発泡ポリスチロール粒子を，表面に浮かべて好結

果を，得ている．以下，実施例によって説明を行なう．

 Fig．7（a）は，船尾波をなくすため，筆者らが，

船尾の表面流を見たものである．モデル船のサイドか ら，発泡ポリスチロールを同時に落下させて，これに ストロボ光源を連続照射して，一一枚のフイルム上に．

同一粒子を多数囲うつしたものである．ここで，注意 しなくてはいけないのは，発泡ポリスチロールを落下 させる装置で，これに粒子をつめる場合，粒子間の水

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 Fig．7（a） Test Apparatus for Model Ship．

路方向の間隔でこれは水面と同時落下装置との距離や，

粒子の大きさ，水の速度などの条件で，間隔がきまる．

極端に間隔を狭くしたり，広くしたりしないようにし なくてはならない．なぜなら，狭すぎると，粒子を落 下した際に，粒子と粒子がくっついてしまい，流れの 様子がわからず，広すぎると，流れの様子が数点しか わからないことになる．一一例として，筆者らの用いた 実験の場合，実験水路の幅が500mmで，モデルの幅 を60mm，水面と粒子落下装置との距離が100mmで，

発泡ポリスチロールの大きさが6mm（土1mm）で，

水の速度が1．3m／ρの場合は，発泡ポリスチロ1ルの 間隔は6mmに取った．

 次に，ストロボの光源の位置と，カメラの位置を考

研究室で，現在実験を行なっている， qぞポンプ船にお ける造波抵抗低減に関する研究 において，船の船尾 の様子を先ず，目で見ようという試みで，このため発 泡ポリスチロールを流した実験を行なった． Fig．7

（b）参照）

3．水流の断層写真

 流れの断層写真を見たい要求はいろんな所に生ずる ものである．Fig．8は，6φの測圧孔内の流れを調

Plalle Sht Lumillous Flux：

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Fig．7（b） Flow from Stern．

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0．5〜1

Camera

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Fig．8 Pressure Hole Test．

（a） （b）

Fif．9（a〜b） Vortex Flow in 6φPressure Hole．

べた実験の例である。流体計測は，圧力と速度の2つ を測ることだけであるが，この中の圧力測定において，

測圧孔の製作は極めて困難なことになる．測圧孔につ いては，いろんな研究老が，その重要性を指摘してい るが，筆者は，Fig．8のような装置を用いて実験を 行なった．アクリル透明樹脂製で，内径100φの円管 の実験であるが，写真撮影のことを考えて，外側は四 角形の形状とした．断層写真を撮るには，トレーサを 入れる必要があり，ここでは，ポリスチレン粒子（後 述）を用いている．このようなテスト断層を，垂直方 向に，巾100mm，厚さ0．5〜ユmmの平面スリット光 束で断層する．このようにして，断面を直角方向から 見ると，チンダル現象（夜空に星が輝く原理）で粒子 がひかり，カメラに納めることが出来る．このように して得られた写真の例をFig．9（a〜b）に示した．

同図（a）は，測野営が，十分に長い場合で，このと きは，主流の皆野近くの流れが粘性のため，時期孔内 に引き込まれて同町のような渦流を作る，同門（b）

は，測圧孔に段違いがあるような場合を想定した写真 である．このときは，渦流が変形していることが知れ る．流体の静圧を正しく計測することは，流体に粘性 がある限り困難に近い．ただ，（a）のように十分に 長い測圧孔にして，安定した渦流を作ることが，安定

した測圧手段と言えよう．（b）で解るように，緩圧 孔の形が正しくないと，ここの渦流が変形して，甚だ

しく異なった圧力となる．

3．1照   明

 水流の断層写真を撮るにあたっての最大のポイント は，照明であると言っても差し支えない．Fig．8に，

示すようにテスト断面を平面スリット光束で切断する 必要がある．平面光束を得る手段として筆者は，つぎ のようなものを用いている．

 （a） ワヅト数の大きい幻燈機（スライド）光束の     先端部

 （b）太陽光源

 （c）水銀アーク灯一シリンダーレンズ  （d）螢光燈

 筆者は，上述の4つの光源を利用しているが，それ ぞれに，利点，欠点がある．

 （a）のスライド光源は，どこにでもあり，手軽に利 用できるが，光束の先端部を利用するのが，コツであ

る．光源近くは光の強度にムラが出来て不都合の場合 が多い．欠点として，四角断面の光束の一部を利用し て，平面スリットにするので，光度が落ちることは致 し方ない．

 （b）の太陽光源は，光度も強く，これに勝る平行度 の良いものはなく，夜間や曇天に利用出来ないことを 除けば，非常に調子の良い光源で，良い結果が得られ

る．

 （c）の光源を利用して撮影した例が，Fig．9（a〜b）

である．水銀アーク灯を，シリンダーレンズを通して、

平面光束とするもので，照度の強い光束が得られる．

この光源の欠点は，シリンダーレンズが，高価なこと と，水銀アーク灯が，必ずしも安定でないことで，む しろ，次の螢光燈光源を勧める．

 筆者らは，Fig．10（a〜b）に示すような光源を利 用して好結果（後述）を得ている．20wの交流螢光燈

（直流螢光灯の方が更に良いと考えられるが，交流で も十分良い結果が得られる．）で，巾600mmの平面 光束を作って実用に供しているので紹介した．製作の ポイントは，螢光灯を凹面反射板の焦点近くにおくこ

とで，後は滑らかに絞ってスリット光束とすれば，た だ，それだけで十分良い光束が得られる．この光源の 良い点は，安くて手軽に製作出来ることと，水銀アー

ク灯等に比べて，安定した巾広い平面光束が得られる ことである．

 断層写真用光源として，もう一一つ注意しておきたい ことは，照度が問題でなくて，平行度の良い光束が得 られることである．水銀アーク灯光源よりも，螢光灯 光源の方がすぐれている点は，光源の形状と強度が，

安定しているため良質の平面光束が得られることであ

る．

 この種の撮影において，強調したいことは，光束の 強度ではなくて，トレーサからの反射照度とテストセ クションの明るさの比較が問題である．筆者らの，今 までの経験によると，光源の強さを大きくした試みは，

すべて失敗しており，テストセクションの明るさを，

小さくした試みが良結果を得てあることである．Fig．

Fig．10（b） Light Source．

11には，光束吸収箱を示したが，テストセクション を暗くするには，各所に黒色乱反射塗装を行なう必要

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Slit Lumh1αls Fhlx

Fig．11 Absorption Box for Luminous Flux．

があるが，光束の進入部（a）及び通過部（b）は透 明材とすることで，（b）の後方には大形の光束吸収 箱を設け，ここで光を吸い取ってしまうことが非常に 重要である．

3．2 ポリスチレントレーサによる可視化 3．2．1 トレーサ

 水流の断層写真の撮影に当っては，比重1（正しく は，水流と同じ比重）のトレーサが要求される．この ような要求に合致するトレーサの一つに，ポリスチレ ン微粒子が徒手から用いられている．この微粒子の作 製に当っての注意を1〜2以下に述べる．

 市販のポリスチレンは2〜3mmの粒状のものが入 手し易い．これでは，大き過ぎるので，テスト断層の 大小に応じて，0．1mm以下の微粒子にしなければな らない．これには，乳鉢で手ですりつぶすのが良い．

多量の微粒子を必要とするときは，動力式D乳鉢を用 いるが，このときのポイントは，最：底のSpeedで回 わし，時間をかけて，気長に作ることである．その理 由ぱ，トレーサの役目は，水流と全く同じ運動をする ことと，その外に多量の乱反射光を出すことである．

乱反射には，出来るだけトレーサの形状が，球型でな く多面角形の微粒子が適する．乳鉢を力強くすったり，

速く回わすと，微粒子の角が溶けて，丸い粒子となり 好結果が得難い．

3．2．2応用例

 このトレーサの応用例の一つは，Fig．9（a〜b）に 示したが，Fig．12（a〜c）に九大化学機械教室で撮 影された例を，同教室の御好意で載せた．同説は，化 学機械用の撹拝羽根内の流れを示したもので，回転羽 根に水平方向より平面光束を当て，カメラは垂直方向 から撮り，かつ，羽根と同じSpeedでカメラを回転

させて撮影したもので，羽根の中の流れが良く撮れて いる．同仁（a）は，2枚羽根，（b）は，4枚羽根

（c）は，6枚羽根である．

3．3 キシレンとクロルベンゼンによる可視化 3．3．1 トレーサ

 水中の流れと同じ流れをする比重1のトレーサが，

必要であり，このトレーサとして，キシレン（C6H4

（CH3）2）とクロルベソゼソ（C6H5C1）の混合液が好 都合で，敬老の比重は0．86で，後者のそれは1．11なの で，両者の混合化を調整すれば，水流の比重と全く同

じものが，容易に得られる．形状は球体になり・混合 液は無色透明なので，これを可視化するには，

 （a）インク（油性）や染料で着色する方法．

 （b） 混合液内に銀粉を混ぜる方法

の2つがある．それぞれに特長を，以下応用例にょっ

（a）

（b）

       （c）

Fig．12 Flow in Mixing Blade．

て説明する．      幅

3．3．2応用例

 前述（a）のトレーサは，実験装置の条件に応じて，

着色出来，多量を手軽に出来るので，これからいろん な方面に利用される．

 当研究室で行なっている，「ポンプ船における造波 抵抗低減に関する研究」において船尾の流れを見るた め，水流の断層写真撮影を行なった．このため，キシ レンとクロルベンゼンに黒色インクで着色した混合液 体を注射器を用いて，水中で噴出させて，その時の流 れを瞬間光源（2usec）をカメラに同期させて，撮影 を行なった．（Fig．13）トレーサの大きさの制御は，

Fig．13 Flow frow Stern．

注射針の大きいものを用いるのが良く，また，押す圧 力を加減することによっても制御出来る．極端に注射 針が，大きい場合には，流れに影響するので，適当な 大きさを選定する必要がある・

 これに使用する注射針は市販の注射針をL型に曲げ て使用し，着色剤に使うインクは，普通の水性のイン クではなく，マジックインクの補充用に使う油性のも のの方が良い それから，ストロボの光源の位置は，

カメラに直射光が入らない位置を選ばなくてはならな い．ストロボ光源の位置は，観測部のアクリル板で反 射して，その光がカメラに入らない位置にセットしな くてはならなくて，カメラの位置は，観測部のアクリ ル面と平行にセットしないと，よい結果が得られない．

 次に前述（b）のトレーサを用いた例として，エアレ ーション（曝気）装置内の流れの可視化を述べる．

 実験に用いたエアレーション・タンクのモデルは，

縦300mm，横350mmで，深さが150mmと300mmの

2通りの長方体で，このタンク内の流れを縦断面，横 断面及び水平断面の三方向の断面写真を撮った．照明 はFig．10（a〜b）で説明した螢光燈光源を用い，こ れに，銀粉混入のキシレン・クロルベンゼントレーサ を用いた．ここで，前述の（a）・（b）トレーサの特 長について比較したい．平面スリット光束による断面 写真のときは，銀粉混入トレーサやポリスチレン粒子 の方が良い 断層写真にインクや染料で着色して，ト

レーサに用いた場合，着色トレーサが水流全体にある ため，実験装置全体が明るくなり，良い写真が得られ ない．すなわち，光束で断層するときは，反射トレー サが良いことが言える．これに対して，Fig．13の ように，スリット光束を用いず，水流全体を照明し，

トレーサで，水流を断層するときは，着色トレーサの 方が良い．

 Fig．14（a）は，横断面写真であり，円筒槽のパド ル型及びタービン形翼による撹婬の場合は，三つの基 本的な流れから成り立っている．

（a）

（b）

（c）

Fig．14 Flow in AERation Tanks．

 （a） 水平回転流  （b）上下循環流  （c）放射 流

 これらの基本流れが合成して三次元的な流れを作り 出すのである．角形槽の場合も同じようなことが言え る．この写真は上述の（b）の上下循環流を示している．

この流れは，水表面から壁面に沿って進み，そして，

羽根直下の槽底から上へ流れているのがよくわかる．

 Fig．14（b）は，縦断面であり，これも一種の循環 流である．これは，深さが300mmの深い方であり，

循環流が，とどく深さの限界がよくわかる．

 Fig．14（c）は，水平断面であり，羽根直下を撮っ たものであり，これは上述の（c）の放射流である．

 これらは，水流の断層写真であるが，従来より用い られている銀粉による表面流写真（Fig，3〜Fig．6）

と比較して，ほとんど同じようであることがわかる．

4．参考文献

（1）栗須・山田・庄村 長崎県労働基準協会（昭44−

  3）

（2）石原・小林 ターボ機械 1・1（昭48−11）5．

（3）栗原・山田・庄村 機械学会論文集 No．69−3

（4）栗須・田中 機械学会論文集 No．748−2−201