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乱 流 工 学<br />
1<br />
第 7 回 流 れの 可 視 化 と 流 体 力 計 測<br />
(Flow Visualization ・<br />
Aerodynamic Force Measurement)<br />
流 体 工 学 特 論<br />
流 れの 可 視 化<br />
2<br />
流 れの 可 視 化 の 分 類<br />
・ 壁 面 トレース 法 ….. 油 膜 法 、 電 解 腐 食 法 、 感 温 塗 料<br />
・タフト 法 …………. 表 面 タフト、デプスタフト、タフトグリッド<br />
・ 直 接 注 入 トレーサー 法<br />
…………. 流 脈 法 、 流 跡 法 、 懸 濁 法 、タイムライン 法<br />
・ 化 学 反 応 法 ………. 反 応 発 色 法 、 電 解 液 発 色 法<br />
・ 電 気 制 御 法<br />
…………. 水 素 気 泡 法 、 火 花 追 跡 法 、スモークワイヤ 法<br />
・ 光 学 的 方 法<br />
…シャドウグラフ、シュリーレン、マッハツェンダ 干 渉 法<br />
流 体 工 学 特 論
可 視 化 手 法 と 適 用 範 囲<br />
3<br />
0.1mm/s 1mm/s 1cm/s 10cm/s 1m/s 10m/s 100m/s M=1<br />
水 素 気 泡 法<br />
懸 濁 法<br />
電 解 発 色 法<br />
油 膜 法<br />
タフト<br />
注 入 流 脈 法<br />
スモークワイヤ<br />
火 花 追 跡 法<br />
液 体<br />
気 体<br />
感 温 塗 料<br />
光 学 的 手 法<br />
流 体 工 学 特 論<br />
光 源<br />
4<br />
太 陽 光 , 白 熱 電 球 , 水 銀 灯<br />
Xe(キセノン)ランプ<br />
キセノンガスを 高 圧 封 入 し、アーク 放 電 により 発 光 。<br />
太 陽 光 に 近 い 発 光 を 人 工 的 に 得 られる<br />
Xeフラッシュ<br />
レーザー 光 源<br />
単 色 性 ・ 指 向 性 ・ 干 渉 性<br />
高 輝 度 LED<br />
流 体 工 学 特 論
壁 面 トレース 法<br />
5<br />
油 膜 法 :<br />
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 。<br />
例 )ディーゼル 油 + 酸 化 チタン+オレイン 酸<br />
注 意 点 : 遠 心 力 ・ 重 力 等 による 外 力 の 影 響 を 受 ける<br />
Re=0.82×10 5<br />
流 体 工 学 特 論<br />
油 膜 法 による 流 れの 可 視 化<br />
6<br />
流 動 パラフィン<br />
+ 酸 化 チタン+オレイン 酸<br />
表 面 に 顔 料 入 りの 油 を 塗 って,<br />
塗 料 の 動 きで 流 れを 観 察 する 方 法<br />
流 体 工 学 特 論
油 膜 法 による 可 視 化 例 (1)<br />
7<br />
流 体 工 学 特 論<br />
油 膜 法 による 流 れの 可 視 化 (2)(<br />
8<br />
流 体 工 学 特 論
数 値 解 析 によるオイルフロー 表 示<br />
オイルフローは 古 くから 使 われているので<br />
設 計 資 料 などが 残 されていることが 多 い<br />
9<br />
数 値 解 析 データをもとにオイルフローを<br />
模 擬 する 場 合 が 多 い(FIELDVIEW)<br />
流 体 工 学 特 論<br />
タフト 法 の 特 徴<br />
10<br />
• 水 槽 ・ 風 洞 で 利 用 可 能<br />
• 低 速 から 高 速 まで 適 用 可 能<br />
• 手 軽 に 利 用 可 能<br />
• 注 意 点 :<br />
気 流 に 追 従 させるため、 軽 い 材 質 を 選 ぶ<br />
絹 糸 ( 和 裁 の 刺 繍 糸 : 湯 せん 後 、まっすぐにす<br />
る)<br />
タンポポの 種 、ナイロン 繊 維 など)<br />
重 力 の 影 響 を 受 けやすい<br />
流 体 工 学 特 論
タフト 法<br />
11<br />
• 表 面 タフト: 物 体 の 表 面 に 貼 り 付 ける<br />
•タフトグリッド:タフトを 格 子 状 に 配 置<br />
•デプスタフト: 物 体 表 面 にポストを 立 てて、 表 面<br />
から 離 れた 位 置 の 流 れを 観 察<br />
流 体 工 学 特 論<br />
注 入 流 脈 法<br />
12<br />
トレーサー 法 :<br />
流 れの 中 に 目 印 となる 物 質 を 混 入 し、その 描 く 線<br />
から 流 れを 調 べる。<br />
レイノルズの 実 験 (1883)が 最 も 有 名<br />
流 体 工 学 特 論
注 入 流 脈 法<br />
13<br />
・タバコや 線 香 の 煙<br />
煙 のコントラスト: 粒 子 径 と 密 度 に 依 存<br />
低 速 気 流 1μ、 高 速 気 流 10μ<br />
・ミスト 法<br />
ケロシン・ 軽 油 ・ 流 動 パラフィンの 蒸 気<br />
流 速 適 用 範 囲 :0.5m~20m/s<br />
流 体 工 学 特 論<br />
流 動 パラフフィンミスト 発 生 装 置<br />
14<br />
オイルタンク<br />
ミスト<br />
ヒーター<br />
コック<br />
グラスウール<br />
空 気<br />
ブロワ<br />
流 体 工 学 特 論
ドライアイス 法<br />
15<br />
ドライアイスをミストにする 方 法<br />
・10m/s 以 上 、 無 害 ・ 無 臭<br />
・ 水 滴 を 伴 う・ 比 重 大 ・ 浮 力 の 影 響<br />
ミスト<br />
ドライアイス<br />
水<br />
流 体 工 学 特 論<br />
四 塩 化 チタン<br />
16<br />
• 四 塩 化 チタン(TiCl 4 ) 融 点 -23℃, 沸 点 136.4℃<br />
比 重 1.76 → 空 気 中 で 加 水 分 解 → 白 色 煙<br />
コントラストが 強 い<br />
導 管 不 要<br />
境 界 層 の 可 視 化<br />
• 注 意 点 :<br />
塩 酸 を 含 むので 人 体 に 有 害 、 金 属 表 面 を 腐 食 させる<br />
流 体 工 学 特 論
色 素 流 脈 法<br />
17<br />
水 流 中 に 色 素 を 混 入 して 流 れ<br />
を 観 察 する 方 法<br />
ローダミンB( 赤 )<br />
フルオレセイン( 緑 )<br />
メチレンブルー( 青 )<br />
ミルク+アルコール<br />
流 体 工 学 特 論<br />
注 入 流 跡 法<br />
18<br />
シャボン 玉<br />
ライポン20% 液<br />
流 体 工 学 特 論
懸 濁 法<br />
19<br />
水 中 に 混 入 された 空 気 の 泡 や 比 重 の 異 なる 油 、<br />
アルミ 紛 をトレーサーとした 可 視 化 方 法<br />
気 流 の 場 合 :ステアリン 酸 亜 鉛 ( 散 乱 特 性 良 )<br />
あらかじめ 流 れ 場 全 体 に 粒 子 を 混 入 しておく<br />
流 体 工 学 特 論<br />
水 素 気 泡 法<br />
20<br />
水 中 に 設 置 された 電 極 に 電 流 を 流 し、 水 を 電 気 分 解<br />
→ 水 素 気 泡 が 発 生<br />
陰 極 線 (25μ 程 度 )<br />
流 れ<br />
流 体 工 学 特 論
電 極 の 形 状 と 水 素 気 泡 の 軌 跡<br />
21<br />
直 線 キンク まだら はしご<br />
直 流<br />
電 圧<br />
パルス<br />
電 圧<br />
流 体 工 学 特 論<br />
電 圧 装 置 ( 例 )<br />
22<br />
細 線 材 料 : 白 金 線 タングステン 線<br />
印 加 電 圧 :400V~1000V<br />
パルス 幅 :0.8~100ms<br />
パルス 周 期 :4~600ms<br />
+<br />
反 転 増 幅 回 路<br />
サイリスタ<br />
サイリスタ<br />
-<br />
パルスジェネレータ<br />
+<br />
-<br />
Q=0.396×10 -3 (273+θ)i [cm 3 /s]<br />
50~150 μm<br />
流 体 工 学 特 論
火 花 追 跡 法<br />
23<br />
高 電 圧 ・<br />
高 周 波<br />
パルス 発<br />
生 装 置<br />
電 圧 :100kV<br />
パルス 幅 :1μsec<br />
周 波 数 :50Hz<br />
高 電 圧 パルス<br />
↓<br />
空 気 のイオン 化<br />
↓<br />
電 気 抵 抗 低 下<br />
( 気 流 とともに 移 動 )<br />
↓<br />
電 圧 パルス: 放 電<br />
流 体 工 学 特 論<br />
ゴルフボール 周 りの 流 れ<br />
24<br />
空 気 24m/s<br />
円 柱 直 径 20mm( 黄 銅 製 )<br />
印 加 電 圧 60kV・7kHz<br />
流 体 工 学 特 論
スモークワイヤ 法<br />
25<br />
金 属 細 線 に 流 動 パラフィンを 塗 布 し、 瞬 間 的 に 電 流<br />
を 流 すとパラフィンがミスト 化 する<br />
ディレイ 時 間 :1ms~250ms<br />
抵 抗 R= 数 10オーム10V~100V<br />
細 線 径 0.1~0.2mm 程 度 (ニクロム 線 )<br />
ストロボ<br />
制 御 装 置<br />
直 流 電 源<br />
スイッチング 回 路<br />
ディレイ 回 路<br />
流 体 工 学 特 論<br />
風 洞 ノズルの 整 流<br />
26<br />
カメラ<br />
制 御 装 置<br />
整 流 装 置<br />
流 体 工 学 特 論
金 網 による 整 流 効 果<br />
27<br />
流 体 工 学 特 論<br />
2 次 元 噴 流 の 可 視 化<br />
28<br />
マルチ<br />
スモーク<br />
トリガ 信 号<br />
↓<br />
流 れと 同 期<br />
流 体 工 学 特 論
パンタグラフモデル<br />
29<br />
U=5m/s<br />
1/15モデル<br />
流 体 工 学 特 論<br />
新 幹 線 先 頭 モデル<br />
30<br />
流 体 工 学 特 論
光 学 的 手 法<br />
31<br />
sin i<br />
sin j<br />
=<br />
C<br />
C<br />
1<br />
2<br />
=<br />
n<br />
光 源<br />
媒 質 中 の 温 度 ・ 密 度 の<br />
不 均 一 → 屈 折 率 の 変 化<br />
光 速 C 1<br />
i<br />
j<br />
気 体 n~1<br />
Gladstone-Daleの 式<br />
n = 1+<br />
Kρ<br />
光 速 C 2<br />
流 体 工 学 特 論<br />
シャドウ・グラフ<br />
32<br />
d<br />
スクリーン<br />
光 源<br />
ε y<br />
ε<br />
y<br />
dI<br />
=<br />
∫<br />
0<br />
d<br />
K<br />
n<br />
dεy<br />
∝<br />
dy<br />
∂ρ<br />
dz<br />
∂y<br />
2<br />
∂ ρ<br />
∝<br />
2<br />
∂y<br />
≈<br />
Kd<br />
∂ρ<br />
∂y<br />
y<br />
観 測 気 体<br />
z<br />
流 体 工 学 特 論
シュリーレンの 撮 影 例<br />
33<br />
超 音 速 噴 流 の 干 渉<br />
閃 光 時 間 2×10-6sec<br />
流 体 工 学 特 論<br />
シュリーレン 法<br />
34<br />
• ナイフエッジによって 光 をさえぎる<br />
• 密 度 変 化 があるとナイフエッジを 通 過 する<br />
光 量 が 変 化<br />
測 定 対 象<br />
dI<br />
I<br />
∝<br />
F<br />
2<br />
εy<br />
α<br />
F2 焦 点 距 離<br />
光 源<br />
カメラ<br />
ナイフエッジ<br />
スクリーン<br />
流 体 工 学 特 論
シュリーレン 法 のレイアウト<br />
35<br />
流 体 工 学 特 論<br />
シュリーレンの 撮 影 例<br />
36<br />
シャドウグラフとの 比 較<br />
超 音 速 噴 流 の 干 渉<br />
閃 光 時 間 2×10-6sec<br />
流 体 工 学 特 論
カラーシュリーレン 法<br />
37<br />
超 音 速 噴 流 (M=2)<br />
D=9mm<br />
流 体 工 学 特 論<br />
マッハツェンダ 干 渉 法<br />
38<br />
スプッリタで 分 離 された 光 :BS→SM→RSA→SC<br />
一 方 の 光 路 中 に 透 過 物 体 を 挿 入<br />
→ 屈 折 率 分 布 に 応 じた 干 渉 縞<br />
流 体 工 学 特 論
密 度 と 干 渉 縞 の 関 係<br />
39<br />
ρ<br />
1 λ<br />
= ρ0 + (2N<br />
−1)<br />
K 2d<br />
N: 干 渉 縞 次 数<br />
λ: 光 の 波 長<br />
d: 観 測 部 のZ 軸 方 向<br />
流 体 工 学 特 論<br />
撮 影 事 例<br />
40<br />
タービン 翼 列<br />
Re=8×10 5<br />
酸 水 素 炎<br />
流 体 工 学 特 論
流 体 力 の 測 定<br />
41<br />
物 体 に 働 く 流 体 力<br />
抗 力 ( 流 れ 方 向 )<br />
揚 力 ( 鉛 直 方 向 )<br />
横 力 ( 横 方 向 )<br />
モーメント<br />
ピッチング<br />
ヨー<br />
ローリング<br />
流 体 工 学 特 論<br />
市 販 のロードセル 装 置<br />
42<br />
流 体 工 学 特 論
ロードセルの 原 理<br />
43<br />
力 F<br />
金 属 細 線<br />
電 気 抵 抗 R<br />
ブリッジ 回 路<br />
流 体 工 学 特 論<br />
風 洞 における 流 体 力 の 測 定<br />
44<br />
風 洞 ノズル<br />
ロードセル<br />
流 体 工 学 特 論
ストラット 型 ( 自 動 車 )<br />
45<br />
流 体 工 学 特 論<br />
ストラット 型 ( 航 空 機 )<br />
46<br />
流 体 工 学 特 論
最 新 F-1 用 風 洞<br />
47<br />
流 体 工 学 特 論<br />
5ベルト 方 式<br />
(ダイムラークライスラー)<br />
48<br />
流 体 工 学 特 論
吊 り 下 げ 型<br />
49<br />
流 体 工 学 特 論<br />
磁 力 支 持 天 秤 装 置<br />
50<br />
測 定 部 寸 法 :60cm×60cm<br />
風 速 範 囲 :0~35m/s 最 大 模 型 質 量 :7kg<br />
抗 力 :16N 横 力 :35N 揚 力 :109N<br />
ローリングモーメント 0N・m<br />
ピッチングモーメント 13.7N・m<br />
ヨーイングモーメント 6.8N・m<br />
流 体 工 学 特 論
パンタグラフ 揚 力 測 定 実 験<br />
51<br />
ロードセル 用 ワイヤ<br />
流 体 工 学 特 論<br />
揚 力 特 性 改 善 実 験<br />
52<br />
流 体 工 学 特 論
測 定 結 果<br />
53<br />
6<br />
5<br />
集 電 パンタ(なびき) 270km/h<br />
揚 力 [N]<br />
4<br />
3<br />
2<br />
1<br />
0<br />
1/3 スケールモデル<br />
0 5 10 15<br />
スロープ 角 度 [deg]<br />
流 体 工 学 特 論<br />
揚 力 測 定 実 習<br />
54<br />
風 洞 : 流 体 研 究 回 流 風 洞<br />
流 速 :30 m/s<br />
翼 モデル:NACA0012<br />
迎 角 :0~15 度<br />
測 定 データ: 揚 力 、 抗 力 、 流 速<br />
データ 整 理 方 法 : 迎 角 αに 対 するC l 及 びC d の 変 化 を<br />
グラフにまとめる<br />
流 速 測 定 方 法 :ピトー 管 、 傾 斜 管 マノメータ<br />
流 体 力 測 定 方 法 :ロードセル<br />
流 体 工 学 特 論
測 定 例<br />
55<br />
1.2<br />
1<br />
Cl<br />
Cd<br />
0.8<br />
Lift<br />
Cl, Cd<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
Drag<br />
0<br />
0 5 10 15 20 25 30<br />
α(°)<br />
流 体 工 学 特 論
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