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Implementation of a Particle Image Velocimetry (PIV) system; An example application of PIV to wake-flows behind objects

粒子画像流速測定(PIV)の実施; 物体後流におけるPIVの適用事例

Tokuhiro, Akira; 菱田 公一; 大木 義久

Tokuhiro, Akira; Hishida, Koichi; Oki, Yoshihisa

粒子画像流速測定法(PIV)は,流れの中のトレーサー粒子の挙動を画像として記録することにより,流体の流れを測定する技術である。粒子は各フレーム毎に痕跡が記録され,相互相関により,2次元の流速場を得ることが出来る。これにより,3次元の流速場の測定も可能である。この測定法の画像処理にはコンピュータ,CCDカメラ,レーザー光が必要である。レーザーシートは流速場を得るべき面の粒子を発光させるために使用され,粒子と周辺流体とのコントラストを顕著にする。また,トレーサー粒子と流体や流体中を上昇する気泡界面などのレーザー光の反射面をより区別する手法としてレーザー誘起蛍光法(LIF)の適用の考えられる。LIFによる温度場の測定も可能である。本書では,PIVの導入方法について適用事例を通して述べる。適用事例としては,気泡とそれと同等な個体の後流についての試験を行った結果を示す。気泡モデルとして,幅と体積が気泡と同等である個体モデルにより近似できるものとした。この2成分2相流により空間的,時間的に変化する流れに対してのPIVの適用を実証することが出来る。さらに流れ場中の気泡や個体の画像を得るために,赤外線投影法を使用した。レーザーと赤外線の画像をCCDカメラで同時に撮影することにより,流れ場と物体の影を同時に記録できた。2次元流速場と共に,渦度,レイノルズ応力,乱流運動エネルギー(tke)分布を算出した。水による,正方流路内(100mm)対向流(Uavg~0.246m/sec)中に約10mm径の空気泡を入れた試験を行い,次の結果を得た。1)PIVは,気泡とそれと等価な大きさの個体の後方での後流について流れの違いを確認することが出来た。違いは気泡と個体の表面境界条件の違いにより生じるものである。2)気泡後方の後流場は,気泡の振動により空間的,時間的に変化する。すなわち,流速,渦度,乱流運動エネルギー分布は,振動挙動を伴った変化をする。3)気泡は,自分自身の運動によるエネルギー損失を最小にするように振る舞うため,乱流運動エネルギーを後流域に一様に分配するが,個体の場合では,乱流運動エネルギーは個体のごく近傍の制限された領域に分配される。しかしながら,乱流運動エネルギーの値はほぼ同じオーダーであることから,2つのケースでは乱流運動エネルギー散逸のメカニズムが異なっていると推測できる。また,PIVと超音波流速測定法により得られた一部の流速データに関して比較を行った。

Particle Image Velocimetry (PIV) describes a velocity measurement technique for gas and liquid flows whereby, as the name implies, movement of tracer particles in motion with the flow are recorded as images. The particles are framr-to-frame "tracked by one of several correlation techniques from which a 2D vector field can be generated. A 3D vector field is also possible. The measurement method takes advantage of current computer, CCD camera and laser light technologies for its image processing needs. A laser light sheet is typically used to illuminate the tracer particles in the flow field of interest and when implemented accentuates the constrast between the particle and the transparent medium. One can also apply Laser Induced Fluorescence (LIF) in order to further distinguish the tracer particles, the transparent, continuous medium and any light reflecting surfaces in the flow field such as the interface of a gas bubble rising in a liquid. It is also possible to deduce the temperature field from LIF images. In the present work an introduction to PIV is given by way of an example. The selected flow configuration is that of wake-flow behind a bubble and its solid equivalent. By solid equivalent we mean a solid model with approximately the equivalent bubble breadth and volume. This two-component, two-phase flow aptly demonstrates the applicability of PIV to spatio-temporal flows. Use was additionally made of an Infrared Shadow Technique (IST) in order to capture the unlit image (shadow) of the bubble or solid within the flow field. By triggering both the laser and infrared light sources with the CCD camera, the shape of the object as well as the flow field was simultaneously recorded. Besides the 2D vector field, calculations of the vorticity, Reynolds stress and turbulent kinetic energy ($$tke$$) distributions were made. The results indicate that for counter-current flow (U$$_{avg}$$sim$0.245 m/s) of water in a square channel (100 mm) with a single air bubble of ...

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