報告書番号

U94034

タイトル（和文）

粒子追跡法による３次元流速計測手法の開発－レーザライトシートスキャニングシステムによる３次元流動への可視化－

タイトル（英文）

THREE-DIMENSIONAL PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY WITH LASER-LIGHT SCANNING SYSTEM

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

本研究では，従来より多数の流速ベクトルを取得することが可能な，画像処理による３次元空間中の３成分の流速計測手法（３ＤＰＴＶ）を開発した。３次元の流れは，レーザライトシートを高速でスキャニングするシステムにより可視化され，１台の高感度・高速ビデオにより撮影される。トレーサ画像から流速ベクトルを算出するために画像処理には，サブピクセル制度の画像解析手法を用いている。得られた流速ベクトルに対して，流体の連続性がより精度良く満足されるように，変分法に基づく補正計算を行うものとしている。本研究の３ＤＰＴＶを立方体形状の水槽内の回転流体に適用した結果，水槽底面近傍にエクマン境界層が生ずることや鉛直断面内の２次流などが適切にとられた。また，１回のトラッキング処理で，約３，０００個の流速ベクトルが取得された。従来の３ＤＰＴＶより１オーダ数の流速ベクトルの計測が可能であることが示された。

概要 （英文）

A 3D PARTICLE TRACKING VELOCIMETRY (3DPTV) SYSTEM HAS BEEN DEVELOPED TO OBTAIN LARGER NUMBER OF VELOCITY VECTORS COMPARED WITH THE NORMAL 3D PTV SYSTEMS. THE TRACER MOVEMENTS IN A 3D FLOW ARE VISUALIZED BY VERTICAL AND HORIZONTAL LASER-LIGHT SHEETS WHICH CAN SCAN THE WHOLE 3D AREA A SHORT TIME. THE VISUALIZED TRACER IMAGES ARECAPTURED BY A HIGH-SPEED VIDEO CAMERA AT 500 FRAMES PER SECOND AND THEFRAME-RECORDING IS SYNCHRONIZED WITH THE SCANNING. THE IMAGE ANALYSES TO DERIVE THE VELOCITY VECTORS ARE BASED ON IMAGE PROCESSING IN WHICH IMPROVEMENTS ARE MADE TO EXTRACTION OF TRACER IMAGES FROM THE BACKGROUND,DETERMINATION OF TRACER POSITION WITH SUB-PIXEL ACCURACY,TRACKING OF SAME TRACER,DERIVATION OF VELOCITY VECTORS,ETC. THE 2D VELOCITY COMPONENTS OBTAINED ON THE VISUALIZED HORIZONTAL AND VERTICAL SECTIONS ARE SPATIALLY INTERPOLATED AT REGULAR GRID POINTS IN THE 3D AREA WITH CUBIC SPLINE FUNCTIONS. ADJUSTMENT OF THE DERIVED 3D VELOCITY COMPONENTS IS DONEUSING THE MASS CONSISTENCY MODEL BASED ON VARIATIONAL ANALYSIS. THE NEW 3DPTV SYSTEM WAS APPLIED TO ROTATING FLUID IN A RECTANGULAR TANK WITHA ROTATING DISK. IT CAPTURED THE EKMAN BOUNDARY LAYER DEVELOPED NEAR THE FIXED BOTTOM SURFACE AND THE SECONDARY FLOW PATTERNS ARISING ON VERTICAL SECTIONS. IN ADDITION,THE COMPLEX 3D EDDIES OCCURRING WHEN THE AXIS OF THE ROTATING DISK WAS SHILED FROM THE CENTER OF THE TANK TO THE CORNER WERE MEASURED BY THE 3DPTV. ABOUT 3000 VELOCITY VECTORS WERE OBTAINED PER TRACKING PROCEDURE,GIVING 65,000 VECTORS IN A SAMPLING TIME OF 0.796 SECONDS. THUS,THE NEW 3DPTV SYSTEM GIVES A LARGER NUMBER OF VECTORS THAN THE NORMAL METHOD AND OFFERS HIGHER SPATIAL RESOLUTION.

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