(57)【要約】【課題】移動体と壁面との隙間（狭隘部）における流体運動を簡単かつ精度よく計測することができる、流場観測方法及び流場観測装置を提供する。【解決手段】水槽１１内の水中にトレーサ粒子Ｔを散布し、水槽１１内の水中に沈めた移動体１２をトレーサ粒子Ｔの散布領域内で移動させ、トレーサ粒子Ｔの挙動を計測することによって移動体１２の周囲の水流を観測する流場観測装置であって、移動体１２の移動方向に沿って水槽１１内に配置された透明な壁面体２と、水槽１１の上方に配置されるとともに移動体１２を壁面体２の表面に接近させた状態で壁面体２に沿って移動可能に支持する走行台車３と、壁面体２の裏面に配置されたトレーサ粒子Ｔの挙動を計測する計測手段４と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水槽内の媒体中にトレーサ粒子を散布し、前記水槽内の媒体中に沈めた移動体を前記トレーサ粒子の散布領域内で移動させ、前記トレーサ粒子の挙動を計測することによって前記移動体の周囲の媒体の流れを観測する流場観測方法において、
前記移動体の移動方向に沿って前記水槽内に透明な壁面体を配置し、該壁面体の表面に前記移動体を接近させた状態で前記移動体を前記壁面体に沿って移動させ、前記壁面体の裏面から前記トレーサ粒子の挙動を計測するようにした、ことを特徴とする流場観測方法。
【請求項２】
前記トレーサ粒子の挙動を計測する計測手段は、前記移動体と同じ速度で前記壁面体に沿って移動される、ことを特徴とする請求項１に記載の流場観測方法。
【請求項３】
水槽内の媒体中にトレーサ粒子を散布し、前記水槽内の媒体中に沈めた移動体を前記トレーサ粒子の散布領域内で移動させ、前記トレーサ粒子の挙動を計測することによって前記移動体の周囲の媒体の流れを観測する流場観測装置において、
前記移動体の移動方向に沿って前記水槽内に配置された透明な壁面体と、
前記水槽の上方に配置されるとともに前記移動体を前記壁面体の表面に接近させた状態で前記壁面体に沿って移動可能に支持する走行台車と、
前記壁面体の裏面に配置された前記トレーサ粒子の挙動を計測する計測手段と、
を有することを特徴とする流場観測装置。
【請求項４】
前記計測手段は、前記走行台車に接続されており、前記移動体と同じ速度で前記壁面体に沿って移動可能に構成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の流場観測装置。
【請求項５】
前記媒体は液体であり、前記走行台車は前記移動体の上方の液面に配置された平板状の液面抑板を有する、ことを特徴とする請求項３に記載の流場観測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、移動体の周囲の媒体の流れを観測する流場観測方法及び流場観測装置に関し、特に、移動体と壁面との隙間（狭隘部）における流れを観測する流場観測方法及び流場観測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自動車、電車、地面効果翼機等のように、地面や水面等により構成される壁面の近傍を移動する物体において、移動体と壁面との隙間（狭隘部）における流体運動は、移動体の推進性能に大きな影響を与える。したがって、この移動体と壁面との隙間（狭隘部）における流体運動を計測することは有意義である。
【０００３】
ところで、一般に、自動車の周囲における流体運動は、風洞試験によって計測されることが多い（例えば、特許文献１及び特許文献２参照）。特許文献１に記載された試験装置は、風洞内に吊り下げられた自動車をムービングベルト上に載置し、所定の速度でムービングベルトを駆動させるとともに、風洞内に同じ速度の風を流すことによって、自動車の走行状態を模擬するようにしている。
【０００４】
また、特許文献２に記載された試験装置は、粒子画像流速測定法（ＰＩＶ：Particle Image Velocimetry）を利用した風洞試験装置であり、所定の流速の空気の一様流が供給される風洞の内部に自動車の模型を載置し、上流側からトレーサ粒子を一様流中に供給するようにしたものである。ＰＩＶは、流体に追従する粒子を流場に混入させ、時間的連続撮影された可視化画像から微少時間ｄｔにおける粒子の変位ベクトルｄｘを求め、速度ベクトルｄｘ／ｄｔを推定する方法であり、複雑な流れ場の流動を高精度かつ精密に測定することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３４１９２０号公報
【特許文献２】特開２０１１−１７６０３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述した特許文献１や特許文献２に記載された風洞試験装置では、自動車や模型等の移動体は、ムービングベルト上又は床面上に配置されており、移動体とムービングベルトや床面との隙間（狭隘部）における流体運動を移動体の下側から計測することは困難であった。かかる問題は、自動車の風洞試験に限られるものではなく、電車と地面（線路）や地面効果翼機と水面の隙間（狭隘部）における流体運動を計測しようとした場合にも、同様に生じ得る。すなわち、移動体と壁面（床面、地面、水面等）との隙間（狭隘部）における流体運動を簡単かつ精度よく計測することは困難であった。
【０００７】
本発明は、上述した問題点に鑑み創案されたものであり、移動体と壁面との隙間（狭隘部）における流体運動を簡単かつ精度よく計測することができる、流場観測方法及び流場観測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明によれば、水槽内の媒体中にトレーサ粒子を散布し、前記水槽内の媒体中に沈めた移動体を前記トレーサ粒子の散布領域内で移動させ、前記トレーサ粒子の挙動を計測することによって前記移動体の周囲の媒体の流れを観測する流場観測方法において、前記移動体の移動方向に沿って前記水槽内に透明な壁面体を配置し、該壁面体の表面に前記移動体を接近させた状態で前記移動体を前記壁面体に沿って移動させ、前記壁面体の裏面から前記トレーサ粒子の挙動を計測するようにした、ことを特徴とする流場観測方法が提供される。
【０００９】
前記トレーサ粒子の挙動を計測する計測手段は、前記移動体と同じ速度で前記壁面体に沿って移動されるように構成してもよい。
【００１０】
また、本発明によれば、水槽内の媒体中にトレーサ粒子を散布し、前記水槽内の媒体中に沈めた移動体を前記トレーサ粒子の散布領域内で移動させ、前記トレーサ粒子の挙動を計測することによって前記移動体の周囲の媒体の流れを観測する流場観測装置において、前記移動体の移動方向に沿って前記水槽内に配置された透明な壁面体と、前記水槽の上方に配置されるとともに前記移動体を前記壁面体の表面に接近させた状態で前記壁面体に沿って移動可能に支持する走行台車と、前記壁面体の裏面に配置された前記トレーサ粒子の挙動を計測する計測手段と、を有することを特徴とする流場観測装置が提供される。
【００１１】
前記計測手段は、前記走行台車に接続されており、前記移動体と同じ速度で前記壁面体に沿って移動可能に構成されていてもよい。また、前記媒体は液体であり、前記走行台車は前記移動体の上方の液面に配置された平板状の液面抑板を有していてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
上述した本発明の流場観測方法及び流場観測装置によれば、地面や水面を模擬する透明な壁面体を水槽内に配置し、壁面体の表面側に移動体を配置し、壁面体の裏面側に計測手段を配置し、壁面体を挟んで移動体と壁面体との隙間（狭隘部）における媒体の流れを計測できるようにしたことにより、移動体と壁面体との隙間（狭隘部）における流体運動を簡単かつ精度よく計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第一実施形態に係る流場観測装置の全体構成図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。
【図３】図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る流場観測装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態について図１〜図４を用いて説明する。ここで、図１は、本発明の第一実施形態に係る流場観測装置の全体構成図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図３は、図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。
【００１５】
本発明の第一実施形態に係る流場観測装置１は、図１〜図３に示したように、水槽１１内の水中にトレーサ粒子Ｔを散布し、水槽１１内の水中に沈めた移動体１２をトレーサ粒子Ｔの散布領域内で移動させ、トレーサ粒子Ｔの挙動を計測することによって移動体１２の周囲の水流を観測する流場観測装置であって、移動体１２の移動方向に沿って水槽１１内に配置された透明な壁面体２と、水槽１１の上方に配置されるとともに移動体１２を壁面体２の表面に接近させた状態で壁面体２に沿って移動可能に支持する走行台車３と、壁面体２の裏面に配置されたトレーサ粒子Ｔの挙動を計測する計測手段４と、を有している。
【００１６】
水槽１１は、移動体１２の移動方向に長く、上部が開放された箱型形状を有しており、横幅方向に一対の壁１１ａを有している。壁１１ａの上面には、例えば、走行台車３を支持するレール１１ｂが形成されている。
【００１７】
移動体１２は、自動車、電車、地面効果翼機等の移動する物体（以下、実機と称する）を模擬した模型である。移動体１２は、水槽１１内で試験可能な大きさにスケールダウン又はスケールアップされる。本実施形態では、移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）における流れを可視化したいことから、移動体１２は壁面体１２と対峙する面のみ実機を模擬した形状であってもよいし、この対峙する面とその側周面のみ実機を模擬した形状であってもよいし、実機の全体を模擬した形状であってもよい。なお、図１〜図３においては、説明の便宜上、移動体１２を直方体形状に図示している。
【００１８】
また、水槽１１内には、移動体１２の周囲の流れを形成する媒体として、例えば、水が注入される。媒体として水を用いた場合、レイノルズ数や動粘性係数から水中の流体運動を空気中の流体運動に容易に変換することができる。また、移動体１２をスケールダウンした場合に空気中で試験をしようとすれば、その分だけ移動体１２の速度を速くする必要があるが、水中で試験をすることにより、移動体１２の速度を遅くすることができ、試験しやすい環境を構築することができる。
【００１９】
また、水は空気よりも密度が高いことから、流場を観測した場合に計測精度を向上させることもできる。ただし、媒体は、水に限定されるものではなく、油等の他の液体であってもよい。また、水槽１１内に水等の液体を注入せずに空にした状態で、空気を媒体として使用するようにしてもよい。以下の説明では、特に断りのない限り、媒体として水を使用しているものとする。
【００２０】
壁面体２は、例えば、アクリル板やガラス板等により構成される透明板である。壁面体２は、自動車、電車、地面効果翼機等の実機と近接する地面や水面を模擬する板部材である。壁面体２は、図１に示したように、水槽１１の底面に配置されており、支持部材２１によって底面に垂直な状態に保持されている。また、図２及び図３に示したように、壁面体２は、移動体１２の移動方向に沿って長く配置されている。なお、図１〜図３において、説明の便宜上、壁面体２を灰色に塗り潰して図示している。
【００２１】
また、壁面体２の表面と裏面との間で水の移動が生じると、計測したい箇所の水流に影響を与えるおそれがあることから、壁面体２は水面より高く配置されていることが好ましい。なお、図示しないが、壁面体２は、枠部材や梁部材によって補強されていてもよいし、複数のパネルを組み合わせて形成されていてもよいし、床面や壁１１ａに固定されていてもよい。
【００２２】
走行台車３は、移動体１２を水中内で移動させる駆動手段である。走行台車３は、レール１１ｂ上に載置される車輪３ａを有し、水槽１１の縁に沿って移動可能に構成されている。また、走行台車３は、例えば、水槽１１の端部に配置されたドラム（図示せず）に巻き取り可能に接続されたワイヤ３ｂ（図２参照）を有しており、ワイヤ３ｂをドラムに巻き取ることによって牽引される。なお、走行台車３は自走式であってもよい。
【００２３】
また、走行台車３は、下面に車輪３ａを有する平板状の本体部３１と、移動体１２を支持する支持部材３２と、本体部３１上に配置され支持部材３２を昇降させる昇降手段３３と、移動体１２の上方の水面に配置された平板状の液面抑板３４と、液面抑板３４と本体部３１とを接続する支柱３５と、本体部３１上に配置され昇降手段３３等を覆うケーシング３６と、を有している。
【００２４】
図１及び図２に示したように、走行台車３は四つの車輪３ａを有しており、本体部３１は、これらの車輪３ａを支持可能な大きさを有している。支持部材３２は、移動体１２に接続されており、本体部３１を貫通して昇降手段３３に接続されている。支持部材３２は、移動体１２を水中で移動させる際に、水面を横切ることとなるため、その抵抗を低減するために、断面が翼形状を有していてもよい。また、移動体１２が前後方向に長い場合には、図２に示したように、前後方向に分岐して配置された複数の支持部材３２により移動体１２を支持するようにしてもよい。
【００２５】
昇降手段３３は、支持部材３２を上下に移動させることによって移動体１２の水中における高さ位置（水深）を調節することができる。移動体１２と壁面体２との隙間ｇは、模擬する実機の種類等の条件によって適宜変更されるものである。そこで、移動体１２、支持部材３２及び昇降手段３３は、隙間ｇの大きさに応じて水槽１１の横幅方向に移動可能に構成されていてもよい。なお、隙間ｇを調節する際に、移動体１２ではなく、壁面体２を移動させるようにしてもよい。
【００２６】
液面抑板３４は、図３に示したように、移動体１２の上方の水面を覆う板部材である。この液面抑板３４を配置することにより、移動体１２を水中で移動させた場合に生じる波を抑制することができ、水流の乱れを抑制することができる。液面抑板３４は、移動時の抵抗を低減するために、前方が徐々に幅が狭くなるように形成されていてもよいし、先端に水切り部が形成されていてもよいし、入水角が小さくなるように高さ方向にテーパ面が形成されていてもよい。また、液面抑板３４には、移動体１２の支持部材３２を挿通させる開口部３４ａが形成されている。
【００２７】
支柱３５は、液面抑板３４を安定して支持することができれば、本数や配置は任意に設定することができ、図示した本数及び配置に限定されるものではない。また、移動体１２、支持部材３２及び昇降手段３３を横幅方向に移動可能に構成した場合には、支柱３５及び液面抑板３４も横幅方向に移動できるように構成してもよい。また、支柱３５及び液面抑板３４を固定したまま、移動体１２、支持部材３２及び昇降手段３３を横幅方向に移動できるように、開口部３４ａを横幅方向に長く形成しておくようにしてもよい。
【００２８】
このように、液面抑板３４を支柱３５を介して走行台車３に接続することにより、移動体１２と同じ速度で液面抑板３４を移動させることができ、実機では存在しない液面抑板３４を有する場合であっても、液面抑板３４がない状態と実質的に同じ状態を模擬することができる。
【００２９】
計測手段４は、図１に示したように、壁面体２を挟んで移動体１２の反対側、すなわち、壁面体２の裏面側に配置される。計測手段４は、例えば、水中にレーザー光シートをパルス状に照射するレーザー光照射装置４１と、トレーサ粒子Ｔによる反射光を撮像する撮像装置４２と、レーザー光照射装置４１及び撮像装置４２を支持する支持部材４３と、を有している。かかる計測手段４は、いわゆる粒子画像流速測定法（ＰＩＶ）で一般的に使用される計測器である。なお、計測手段４は、かかる計測器に限定されるものではなく、レーザードップラー流速計（ＬＤＶ：Laser Doppler Velocimeter）を使用したものであってもよいし、粒子追跡測定法（ＰＴＶ：Particle Tracking Velocimetry）で使用する計測器であってもよい。
【００３０】
ＰＩＶは、流体に追従する粒子を流場に混入させ、時間的連続撮影された可視化画像から微少時間ｄｔにおける粒子の変位ベクトルｄｘを求め、速度ベクトルｄｘ／ｄｔを推定する方法である。この可視化画像を取得するために、平膜状に展開されるレーザー光シートを水中に一定間隔で投射し、トレーサ粒子Ｔの反射光を撮像している。レーザー光照射装置４１は、光源や反射ミラー等の光学系機器により構成される。撮像装置４２は、静止画を取得するカメラや動画を撮影するビデオカメラ等により構成される。
【００３１】
本実施形態では、移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）における水流を観測したいため、レーザー光照射装置４１は、移動体１２の壁面体２に近接した面に壁面体２を介してレーザー光シートを照射できる位置に配置される。
【００３２】
また、撮像装置４２も、壁面体２を介して、移動体１２の壁面体２に近接した面を撮像できる位置に配置される。撮像装置４２は、図２に示したように、移動体１２の後方側の面を撮像する第一撮像装置４２ａと、移動体１２の下流側の水流を撮像する第二撮像装置４２ｂと、を有していてもよい。このように、移動体１２の前後の水流を観測することにより、移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）における流体運動の分析精度を向上させることができる。
【００３３】
支持部材４３は、レーザー光照射装置４１及び撮像装置４２を走行台車３に接続する部品である。支持部材４３は、移動体１２又は壁面体２に対するレーザー光照射装置４１及び撮像装置４２の位置を調整することができるように、走行台車３に移動可能に構成されていてもよい。また、レーザー光照射装置４１及び撮像装置４２は、個別に支持する支持部材を有し、個別に走行台車３に接続されていてもよい。このように、計測手段４を走行台車３に接続することにより、移動体１２と同じ速度で壁面体２に沿って移動させることができる。
【００３４】
また、計測手段４は、レーザー光照射装置４１及び撮像装置４２を操作したり、撮像装置４２による計測結果を記憶したり、計測結果から流場を分析したりする制御装置（図示せず）に有線又は無線により接続されている。かかる制御装置は、水槽１１から離隔した場所に配置されていてもよいし、走行台車３に搭載されていてもよい。制御装置は、分析結果を表示するディスプレイ等の表示手段を有していてもよい。
【００３５】
上述した流場観測装置１により移動体１２の周囲の水流を観測するには、まず、図３に示したように、水槽１１の水中にトレーサ粒子Ｔを一様に散布する必要がある。トレーサ粒子Ｔは、媒体（例えば、水）と同じ比重を有するナイロン粒子等により構成される。なお、媒体が空気の場合には、トレーサ粒子Ｔとして煙を使用するようにしてもよい。
【００３６】
トレーサ粒子Ｔは、一般的な水槽試験に用いられる散布装置により水中に一様な分布を有するように散布される。その後、走行台車３に接続されたワイヤ３ｂを巻き取って走行台車３を牽引し、レール１１ｂ上を移動させる。移動体１２は、壁面体２に対して所定の隙間ｇを有するように配置されており、壁面体２は、移動体１２の移動方向に沿って配置されていることから、走行台車３の移動により、移動体１２は壁面体２と一定の隙間ｇを保持したまま水中を移動することとなる。そして、移動体１２をトレーサ粒子Ｔの散布領域内で移動させると、トレーサ粒子Ｔは水流に沿って移動し、そのトレーサ粒子Ｔの挙動を計測手段４によって計測する。
【００３７】
すなわち、上述した流場観測装置１によれば、水槽１１内の水中にトレーサ粒子Ｔを散布し、水槽１１内の水中に沈めた移動体１２をトレーサ粒子Ｔの散布領域内で移動させ、トレーサ粒子Ｔの挙動を計測することによって移動体１２の周囲の水流を観測する流場観測方法であって、移動体１２の移動方向に沿って水槽１１内に透明な壁面体２を配置し、壁面体２の表面に移動体１２を接近させた状態で移動体１２を壁面体２に沿って移動させ、壁面体２の裏面からトレーサ粒子Ｔの挙動を計測するようにした流場観測方法を実施することができる。
【００３８】
また、本実施形態に係る流場観測装置１によれば、地面や水面を模擬する透明な壁面体２を水槽１１内に配置し、壁面体２の表面側に移動体１２を配置し、壁面体２の裏面側に計測手段４を配置し、壁面体２を挟んで移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）における水流を計測できるようにしたことにより、移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）における流体運動を簡単かつ精度よく計測することができる。
【００３９】
次に、本発明の他の実施形態に係る流場観測装置１について図４を参照しつつ説明する。ここで、図４は、本発明の他の実施形態に係る流場観測装置を示す図であり、（ａ）は第二実施形態、（ｂ）は第三実施形態、を示している。なお、上述した第一実施形態に係る流場観測装置１と同じ構成部品については、同じ符号を付して重複した説明を省略する。
【００４０】
図４（ａ）に示した第二実施形態に係る流場観測装置１は、上述した液面抑板３４を省略したものである。媒体が水等の液体である場合であっても、移動体１２の水深Ｄが十分に深い場合には、移動体１２を移動させた場合であっても、水面で生じた波が移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）における流体運動に与える影響は少ない。したがって、そのような場合には、液面抑板３４を省略するようにしてもよい。また、媒体が空気の場合には、支持部材３２が横切る液面が存在しないことから、同様に、液面抑板３４を省略することができる。
【００４１】
図４（ｂ）に示した第三実施形態に係る流場観測装置１は、壁面体２の表面側を凹ませて湾曲形状に形成し、移動体１２を球形状に形成したものである。模擬する実機と壁面との関係によっては、移動体１２と壁面体２との隙間（狭隘部）を湾曲面により構成するようにしてもよい。例えば、配管と配管内を流れる物体や物質との関係、砲身と砲弾との関係、血管と白血球や赤血球との関係等を模擬する場合に、かかる第三実施形態を適用することができる。なお、移動体１２は、球形状である必要はなく、移動方向に軸を有する円柱形状であってもよいし、第一実施形態と同様に直方体形状であってもよい。
【００４２】
上述した第一実施形態及び第二実施形態において、自動車や電車等のように壁面に接触して回転するタイヤや車輪を有する実機を模擬する場合には、移動体１２に回転可能なタイヤや車輪を配置するようにしてもよい。
【００４３】
また、上述した第一実施形態〜第三実施形態において、壁面体２を水槽１１の底面に垂直な方向に立設する場合について説明したが、壁面体２は水槽１１の底面に対して傾斜させて配置してもよいし、壁面体２を液面近くに水平方向に配置して壁面体２の下方に移動体１２を配置するようにしてもよい。
【００４４】
本発明は上述した実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変更が可能であることは勿論である。
【符号の説明】
【００４５】
１  流場観測装置
２  壁面体
３  走行台車
４  計測手段
１１  水槽
１２  移動体
３４  液面抑板
【図１】
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【図２】
2014044142.tif 000004
【図３】
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【図４】
2014044142.tif 000006