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計測事例アーカイブスでは、過去の西華デジタルイメージのwebサイトでご紹介していたPIVの計測事例をご紹介いたします。

ラージスケールPIV 「2.5m×1.5mのエリアをステレオPIVで測定」

Applications

大型境界層風洞で建物を模擬した立方体回りの流れをステレオPIVにより計測しました。

最新の高性能カメラと解析アルゴリズムの組み合わせにより、2.5m×1.5mのエリアを5mm/vectorの空間分解能で高精度に計測することができます。

光源には120mJダブルパルスレーザーを使用し、カメラ2台を前方散乱受光位置に配置することで比較的低出力光源でも広いエリアの計測が可能となります。

測定協力:清水建設株式会社様 技術研究所

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カメラ
高解像度高感度ダブルシャッタータイプのpco.4000-PIVを使用しました。このカメラの仕様は解像度が4008×2672ピクセル、階調が14bitモノクロ、冷却が⊿-45度です。

解析アルゴリズム
イメージディフォーメーションコリレーションにマルチグリッドコリレーション、中央差分法、ダブルコリレーションを併用しました。マルチグリッドコリレーションにより2時刻間の粒子の移動量を適正に保ちつつインターロゲーションウィンドウを小さくして高解像度化が可能です。ダブルコリレーションによりS/N比の改善、中央差分法により2次精度の改善が可能です。さらにイメージディフォーメーション(サブピクセルの画像変形)を適用することでピークロッキングのない高精度の解析が可能となります。

シーディング
大型風洞におけるラージスケールPIVでは最も重要な技術です。シーディング発生装置はPivPart45を使用しました。この発生器はDEHS(またはDOS)というオイルをラスキンノズルで微粒化し、粒径2μm程度の粒子を大量に発生させることができます。DEHSは無害ですが、粒径が1μm以下では吸気した場合に肺の奥まで到達してしまいます。一方2μm以上だと気管支付近で壁面に接触し奥まで到達しないと言われています。人体へのインパクトを考えると2μm程度のサイズがよいと思います。

シーディングの拡散 シーディングレーク
PIV全般にいえることですが、シーディング粒子をいかに均一に拡散させるかが重要なポイントになります。均一に拡散させるためにはグローバルシーディング(風路全体に散布する)がもっともよい方法です。風洞の測定部の下流位置からシーディングを散布し続ければ風路全体がシーディングで満たされます。PivPart45なら大型風洞でも数分で計測可能な状態になります。しかしこの方法だと大量のシーディング粒子を長時間風路内に回流させることになり、風洞へのインパクトを考えるとできるだけ避けたほうがよいと思います。そこでシーディングレークと呼ばれるシーディング散布用多孔ノズルを使用します。シーディングレークは細孔をあけた細管を複数本組んだもので、整流洞直後に設置して散布することで、流れに影響を与えずに均一なシーディングが可能で、必要最小限のシーディング量で済ませることができます。





















カメラ pco.4000-PIV×2台 11Mピクセル(4008×2672) 
レーザー Solo 120XT 120mJ
制御解析ソフト Koncerto 3D
解析アルゴリズム イメージディフォーメーションコリレーション
マルチグリッドコリレーション、中央差分法、ダブルコリレーション併用
シーディング  PivPart45(ラスキンノズル)
粒子サイズ 約2μm
シーディング拡散法 シーディングレークによるローカルシーディング

ラージスケールPIV 『熱対流の高分解能計測』

写真の画像はほとんど個々の粒子を解像することができませんが、Koncertoに搭載の高性能解析アルゴリズムを駆使することで、このように広いエリアを測定する場合でもピークロッキングのない高精度の解析が可能です。スムージングフィルター等は使用していません。

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全体ベクトル図



全体ベクトル図の枠内を拡大したベクトル図


測定エリアサイズ

500mm×375mm
カメラ pco.1600-PIV(解像度1600×1200ピクセル)
解析アルゴリズム イメージディフォーメーション、マルチパス、マルチウィンドウ、ダブルコリレーション併用

最終探索ウィンドウサイズ

8×8ピクセル
(1速度ベクトルを算出するウィンドウサイズ)
シーディング DEHS
平均粒径 約1ミクロン

マイクロPIV 『マイクロチャンネル内を移動する液滴内部流動』

共焦点スキャニングマイクロPIV : 微小液滴内部流動の計測

幅100μm深さ100μmのマイクロチャンネル内を移動するカプセル状の微小液滴内部を6断面に分けて精密な測定を行いました。液滴内ではマイクロチャンネルの壁面の影響などにより3次元的で複雑な内部流動が起きていることがわかりました。この計測を可能にしたのが共焦点スキャニングマイクロPIVシステムです。
データ提供 : 東京大学様 生産技術研究所 大島研究室

Key Technology
 共焦点スキャニング時系列マイクロPIV
■ 高速対物レンズアクチュエータ
■ 屈折率マッチング

通常の蛍光画像と共焦点画像の比較

通常の蛍光顕微鏡画像では高性能の対物レンズを使用して焦点深度をどんなに薄くしても、焦点面前後の粒子からの散乱光が写りこんでしまいバックグラウンドが明るくなってしまいます。

通常の蛍光画像通常の蛍光画像

共焦点スキャナーを使用すると原理的に焦点面前後の粒子からの散乱光は遮断され、コントラストの高い鮮明な粒子像が得られます。

共焦点画像共焦点画像
マイクロチャンネル(100×100μm)内を移動する微小液滴の様子

壁面に接している部分は壁面に引きずられて速度が遅くなっています。遅くなった速度を補償するように壁面に接していないコーナー部分で液滴の進行速度以上に速くなっていることがわかります。

マイクロチャンネル(100×100μm)内を移動する微小液滴内部の速度分布

横スクロールでご覧いただけます。


速度ベクトル図(未処理)

この状態ではすべての速度ベクトルに
液滴の移動速度も含まれています。

 


速度ベクトル図(液滴内部の流動)

液滴の移動速度を差引くことで内部流動の
速度分布を得ることが可能です。

 

液滴内部の循環流

壁面の影響で液滴内部では立体的で
複雑な循環流ができています。

  The confocal image   The principle of the confocal scanner

時系列PIV『速度圧力同時計測』



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