乱流工学 流れの可視化

流体工学特論

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

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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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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 1mm/s 1cm/s 10cm/s 1m/s 10m/s 100m/s M=1

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

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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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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

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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

流体工学特論

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）

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油膜法による流れの可視化（ 2 ） 8

油膜法による流れの可視化（

油膜法による流れの可視化（ 2 2 ） ）

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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

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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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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

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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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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

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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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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

ドライアイスをミストにする方法 ミスト

・10m/s以上、無害・無臭

・水滴を伴う・比重大・浮力の影響

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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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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

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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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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

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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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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 ﾊﾟﾙｽ 電圧

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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 μm Q=0.396×10^-3(273+θ)i [cm³/s]

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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

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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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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）

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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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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

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2 次元噴流の可視化 28

2 2 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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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/s 1/15モデル

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新幹線先頭モデル 30

新幹線先頭モデル

新幹線先頭モデル

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光学的手法 光学的手法 光学的手法

C n C j

i = =

2 1

sin sin

i j 光源

光速C₁

光速C₂

ρ +

= K n 1

媒質中の温度・密度の 不均一→屈折率の変化 気体n～1

Gladstone-Daleの式

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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 2 0

y dy

dI d

Kd y y dz

n K

y d y

∂ ρ

∝ ∂

∝ ε

∂ ρ

≈ ∂

∂ ρ

= ∂ ε ∫

観測気体 d

z y

光源 ε_y

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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

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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

α

∝ F ε

I

dI

ナイフエッジ 測定対象

光源 カメラ

F2焦点距離

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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

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シュリーレンの撮影例 36

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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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

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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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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

) 1 2

2 ( 1

0

+ λ −

ρ

=

ρ N

d K

N：干渉縞次数 λ：光の波長

d: 観測部のZ軸方向

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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

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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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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

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風洞における流体力の測定 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

ロードセル 風洞ノズル

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( (

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ストラット型（航空機） 46

ストラット型（航空機）

ストラット型（航空機）

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最新 F-1 用風洞 最新 最新 F- F -1 1 用風洞 用風洞

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5 ベルト方式 48

（ダイムラークライスラー）

5 5 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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吊り下げ型 吊り下げ型 吊り下げ型

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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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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

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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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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

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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C_l及びC_d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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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