(57)【要約】【課題】流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、時間分解能の高い測定システムを提供する。【解決手段】測定システムは、流体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、発光装置１０と、受感装置２０と、受光装置３０と、演算装置と、を備える。発光装置１０は、散乱光を発光する。受感装置２０は、発光装置１０からの散乱光を通過させる第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａを含み、第１のピンホール２５ａは、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、第２のピンホール２６ａは、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される。受光装置３０は、第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａを通過した散乱光が互いに干渉することにより得られたビート信号を受光する。演算装置は、受光装置３０が受光したビート信号の周波数に基づいて、流体の壁面せん断応力を演算する。【選択図】図７
2019007939.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
散乱光を発光する発光手段と、
前記発光手段からの散乱光を通過させる第１の貫通孔及び第２の貫通孔を含み、前記第１の貫通孔は、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、前記第２の貫通孔は、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される受感手段と、
前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を通過した散乱光が互いに干渉することにより得られたビート信号を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光したビート信号の周波数に基づいて、流体の壁面せん断応力を演算する演算手段と、
を備える測定システム。
【請求項２】
前記受感手段は、
流体に接触するように配置され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板を備え、
前記第１の貫通孔が前記流体接触板と連動して流体の流れ方向に移動するように構成されている、
請求項１に記載の測定システム。
【請求項３】
前記受感手段は、
壁面せん断応力を測定する対象物に対して所定の位置に固定される支持手段と、
前記支持手段に一端が支持され、前記流体接触板に他端が固定され、前記支持手段から前記流体接触板を吊り下げている弾性変形可能な弾性変形手段と、
を備える、
請求項２に記載の測定システム。
【請求項４】
前記受感手段は、前記弾性変形手段及び前記流体接触板を内部に収容するハウジングを備え、
前記流体接触板は、前記ハウジングの下端部と共に流体に接触するように前記ハウジングの下端部に隣接して配置されている、
請求項３に記載の測定システム。
【請求項５】
前記弾性変形手段には、前記第１の貫通孔が形成された第１の光路形成部が固定され、
前記ハウジングには、前記第２の貫通孔が形成された第２の光路形成部が固定されている、
請求項４に記載の測定システム。
【請求項６】
前記第２の光路形成部は、前記第２の貫通孔に隣接して形成された開口部を備え、
前記第１の光路形成部は、前記第２の光路形成部よりも背面側に配置され、
前記開口部は、流体の壁面せん断応力に応じて前記第１の光路形成部が移動した場合であっても、前記第１の貫通孔に散乱光が通過可能となるように形成されている、
請求項５に記載の測定システム。
【請求項７】
前記第１の光路形成部及び前記第２の光路形成部は、前記ハウジングの前記発光手段側に設けられ、
前記ハウジングの前記受光手段側には、前記第１の光路形成部及び前記第２の光路形成部を通過した散乱光を外部に透過可能な透過部が設けられている、
請求項５又は６に記載の測定システム。
【請求項８】
前記測定システムは、液体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
前記受感手段は、前記流体接触板と前記ハウジングとの間から前記ハウジング内に液体が浸入するように構成され、
前記測定システムは、前記ハウジングに浸入した液体の液面が前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔よりも下方に位置するように、前記ハウジング内に気体を供給して液体の液面を加圧する送気手段をさらに備える、
請求項４から７のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項９】
前記弾性変形手段は、流体の流れ方向に並べて配置された一対のワイヤであって、
一方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端に固定され、他方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端であって、前記一方のワイヤが固定された部分とは反対側に固定されている、
請求項３から８のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項１０】
前記発光手段は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を散乱させる回転散乱板と、
前記回転散乱板を一定の角速度で中心軸周りに回転させるモータと、
を備える、
請求項１から９のいずれか１項に記載の測定システム。
【請求項１１】
前記回転散乱板と前記モータとは、ターニングベルトを介して前記モータの回転を前記回転散乱板に伝達可能となるように互いに接続されている、
請求項１０に記載の測定システム。
【請求項１２】
前記受光手段は、
前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を通過した散乱光を交点に集束させ、ビート信号を生成するレンズ系と、
前記交点を含むように配置され、前記レンズ系によって生成されたビート信号を散乱させる散乱体と、
前記散乱体によって散乱されたビート信号の強度を検出する光検出素子と、
を備える、                                                       
請求項１から１１のいずれか１項に記載の測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、測定システム、特に、流体の壁面せん断応力を測定する測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
流体の壁面せん断応力を測定する測定システムが知られている。流体の壁面せん断応力を測定する手法としては、例えば、流速に基づいて壁面せん断応力を推定する手法（間接測定法）、歪みゲージを用いて壁面せん断応力を直接測定する手法（直接測定法）がある。間接測定法は、流速と壁面せん断応力との間の普遍法則の成立を前提とするため、気泡流のような混相流の場合に壁面せん断応力を測定できない。また、直接測定法は、歪みゲージの時間分解能が低いため、乱流のバースト現象等が発生した場合に壁面せん断応力の急激な変化を測定できない。
【０００３】
そこで、時間分解能が高いレーザ測定系を用いて流体の壁面せん断応力を測定する測定システムの開発が進められている。例えば、特許文献１には、レーザ光を生成する光生成ユニットと、レーザ光を分割する分光ユニットと、分割したレーザ光を集束させる集束レンズと、焦点に集束したレーザ光が浮遊粒子に衝突することによって生成された散乱光からドップラー周波数を検出する周波数分析器と、を備える測定システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２２２７１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の測定システムは、流体の浮遊粒子により散乱した散乱光を受光して散乱光のドップラー周波数を検出し、ドップラー周波数に基づいて壁面せん断応力を計算している、言い換えると、流体の浮遊粒子の動きに基づいて壁面せん断応力を間接的に測定している。このため、特許文献１の測定システムは、流体内の浮遊粒子が存在しない場合に壁面せん断応力を測定できない、乱流や気泡による瞬間的な壁面せん断応力の変化を測定できない、という問題がある。
【０００６】
本発明は、このような背景に基づいてなされたものであり、流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、時間分解能の高い測定システム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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る測定システムは、
流体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
散乱光を発光する発光手段と、
前記発光手段からの散乱光を通過させる第１の貫通孔及び第２の貫通孔を含み、前記第１の貫通孔は、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、前記第２の貫通孔は、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される受感手段と、
前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を通過した散乱光が互いに干渉することにより得られたビート信号を受光する受光手段と、
前記受光手段が受光したビート信号の周波数に基づいて、流体の壁面せん断応力を演算する演算手段と、
を備える。
【０００８】
前記受感手段は、
流体に接触するように配置され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板を備え、
前記第１の貫通孔が前記流体接触板と連動して流体の流れ方向に移動するように構成されていてもよい。
【０００９】
前記受感手段は、
壁面せん断応力を測定する対象物に対して所定の位置に固定される支持手段と、
前記支持手段に一端が支持され、前記流体接触板に他端が固定され、前記支持手段から前記流体接触板を吊り下げている弾性変形可能な弾性変形手段と、
を備えてもよい。
【００１０】
前記受感手段は、前記弾性変形手段及び前記流体接触板を内部に収容するハウジングを備え、
前記流体接触板は、前記ハウジングの下端部と共に流体に接触するように前記ハウジングの下端部に隣接して配置されていてもよい。
【００１１】
前記弾性変形手段には、前記第１の貫通孔が形成された第１の光路形成部が固定され、
前記ハウジングには、前記第２の貫通孔が形成された第２の光路形成部が固定されていてもよい。
【００１２】
前記第２の光路形成部は、前記第２の貫通孔に隣接して形成された開口部を備え、
前記第１の光路形成部は、前記第２の光路形成部よりも背面側に配置され、
前記開口部は、流体の壁面せん断応力に応じて前記第１の光路形成部が移動した場合であっても、前記第１の貫通孔に散乱光が通過可能となるように形成されていてもよい。
【００１３】
前記第１の光路形成部及び前記第２の光路形成部は、前記ハウジングの前記発光手段側に設けられ、
前記ハウジングの前記受光手段側には、前記第１の光路形成部及び前記第２の光路形成部を通過した散乱光を外部に透過可能な透過部が設けられていてもよい。
【００１４】
前記測定システムは、液体の壁面せん断応力を測定する測定システムであって、
前記受感手段は、前記流体接触板と前記ハウジングとの間から前記ハウジング内に液体が浸入するように構成され、
前記測定システムは、前記ハウジングに浸入した液体の液面が前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔よりも下方に位置するように、前記ハウジング内に気体を供給して液体の液面を加圧する送気手段をさらに備えてもよい。
【００１５】
前記弾性変形手段は、流体の流れ方向に並べて配置された一対のワイヤであって、
一方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端に固定され、他方のワイヤは、前記流体接触板の上面部の側端であって、前記一方のワイヤが固定された部分とは反対側に固定されていてもよい。
【００１６】
前記発光手段は、
レーザ光源と、
前記レーザ光源から出射されたレーザ光を散乱させる回転散乱板と、
前記回転散乱板を一定の角速度で中心軸周りに回転させるモータと、
を備えてもよい。
【００１７】
前記回転散乱板と前記モータとは、ターニングベルトを介して前記モータの回転を前記回転散乱板に伝達可能となるように互いに接続されていてもよい。
【００１８】
前記受光手段は、
前記第１の貫通孔及び前記第２の貫通孔を通過した散乱光を交点に集束させ、ビート信号を生成するレンズ系と、
前記交点を含むように配置され、前記レンズ系によって生成されたビート信号を散乱させる散乱体と、
前記散乱体によって散乱されたビート信号の強度を検出する光検出素子と、
を備えてもよい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、発光手段からの散乱光を通過させる第１の貫通孔及び第２の貫通孔を含み、第１の貫通孔は、流体の壁面せん断応力に応じて、流体の流れ方向に移動し、第２の貫通孔は、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に保持される受感手段を備える。このため、流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、時間分解能の高い測定システムを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の実施の形態１に係る測定システムの構成を示す正面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る測定システムの構成を示す平面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る発光装置の構成を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る受感装置の構成を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る受感装置の構成を示す正面図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る受光装置の構成を示す断面図である。
【図７】流体が流れていない場合の信号光と参照光の光路を示す図である。
【図８】流体が流れている場合の信号光と参照光の光路を示す図である。
【図９】本発明の実施の形態２に係る受感装置の構成を示す断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態３に係る発光装置の構成を示す断面図である。
【図１１】実施例１における実験装置の構成を示す図である。
【図１２】実施例１における実験条件を示す図である。
【図１３】単相流におけるレイノルズ数と摩擦応力係数の時間平均値との関係を示すグラフである。
【図１４】気泡流におけるレイノルズ数と摩擦応力係数の時間平均値との関係を示すグラフである。
【図１５】単相流における壁面せん断応力の時間変化を示すグラフである。
【図１６】気泡流における壁面せん断応力の時間変化を示すグラフである。
【図１７】（ａ）は、実施例２における実験船の斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）の実験船の断面図である。
【図１８】（ａ）は、実施例２における単相流の実験条件を示す図であり、（ｂ）は、実施例２における気泡流の実験条件を示す図である。
【図１９】単相流における実験船の速度と壁面せん断応力との関係を示すグラフである。
【図２０】気泡流におけるボイド率と壁面せん断応力比との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明に係る測定システムの実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。各図面においては、同一又は同等の部分に同一の符号を付す。また、各実施の形態では、流体の流れ方向をＸ軸、Ｘ軸と垂直に交差して水平面上を延びる軸をＹ軸、上下方向をＺ軸とする直交座標系を使用する。 
【００２２】
（実施の形態１）
図１〜図６を参照して、本発明の実施の形態１に係る測定システム１の構成を説明する。実施の形態１に係る測定システム１は、ヘテロダイン干渉法を用いて、流体の壁面せん断応力の変化に伴って変化する光のビート信号を検出することにより、流体の壁面せん断応力を測定する装置である。
【００２３】
ヘテロダイン干渉法は、測定したい光である信号光に、わずかに位相の異なる光である参照光を干渉させてビート信号を生成し、得られたビート信号を検出器で検出することにより、信号光の位相等の情報を取得する手法である。光の周波数は非常に高いため、検出器で光を直接検出するだけでは信号光の位相等の情報を取得できないが、参照光を用いて信号光をビート信号に変換することで、信号光の位相等の情報を取得できる。
【００２４】
以下、理解を容易にするために、流体が一様に流れている断面矩形状の管路における水の壁面せん断応力を測定する場合を例に説明するが、実施の形態１に係る測定システム１が壁面せん断応力を測定可能な流体の流れは、水の流れに限られず、壁面せん断応力の測定対象は、断面矩形状の管路に限られない。
【００２５】
図１は、測定システム１の構成を示す正面図である。測定システム１は、レーザ光を散乱させて散乱光として放射する発光装置１０と、発光装置１０から放射された散乱光の一部により形成された光路を流体の壁面せん断応力に応じて変化させる受感装置２０と、受感装置２０を通過した散乱光を受光する受光装置３０と、を備える。
【００２６】
発光装置１０、受感装置２０及び受光装置３０は、支持板４０の上にＹ軸方向に並べて設置され、固定されている。支持板４０は、例えば、鋼材から形成された板であり、土台、橋脚、地面等に設置されてもよい。測定システム１は、発光装置１０から散乱されて放射された散乱光が、受感装置２０を通過して受光装置３０に入射するように構成されている。受感装置２０及び支持板４０の下方には、Ｘ軸方向に流体が流れる断面矩形状の管路５０（対象物）が設置されている。受感装置２０は、その一部が管路５０の上面部に設けられた開口部５１に挿入され、その下端部が管路５０を流れる流体に接触するように配置されている。
【００２７】
図２は、測定システム１の構成を示す平面図である。図２の点線は、発光装置１０から出射された散乱光の光路と、受光装置３０に入射する信号光及び参照光の光路と、を示す。発光装置１０にて散乱されて出射された散乱光は、その一部が受感装置２０に入射する。
【００２８】
受感装置２０は、流体の壁面せん断応力の変化を直接感知する機構を備える。受感装置２０は、入射した散乱光の一部から、流体の壁面せん断応力の変化に応じて光路が変化する信号光と、光路が一定不変の参照光とを形成する。信号光は、受感装置２０に設けられ、流体の壁面せん断応力の変化に応じてＸ軸方向に移動する第１のピンホールによって形成され、参照光は、受感装置２０に設けられ、受感装置２０の所定の位置に固定された第２のピンホールにより形成される。
【００２９】
そして、受光装置３０に入射した信号光及び参照光は、一つの交点に集束され、交点で互いに干渉してうなりを発生させ、光のビート信号を生成する。測定システム１は、ビート信号の周波数を検出することにより、流体の壁面せん断応力を算出できる。
【００３０】
図３は、発光装置１０を上方から観察した断面図である。発光装置１０は、レーザ光を散乱させることにより、単一波長で位相の揃った散乱光を放射する発光手段の一例である。発光装置１０は、レーザ光を出射するレーザ光源１１と、レーザ光源１１からのレーザ光が照射され、レーザ光を散乱させる回転可能な回転散乱板１２と、回転散乱板１２を中心軸周りに回転させるモータ１３と、各部を収容するハウジング１４と、を備える。
【００３１】
レーザ光源１１は、例えば、赤色波長のレーザ光を出射するレーザ光源である。赤色波長は、あくまで一例であって、レーザ光源１１が出射するレーザ光は、光のビート信号の周波数が測定可能な値である限り、いかなる波長の光であってもよい。
【００３２】
回転散乱板１２は、例えば、ガラス材料に微細粒子を混入して形成したすりガラスからなる円盤状の部材である。回転散乱板１２は、レーザ光源１１から入射されたレーザ光を様々な周波数を有する散乱光に変換して散乱させる。回転散乱板１２は、流体の壁面せん断応力の測定精度を向上させるために、内部の微細粒子の分布ができるだけ均一であることが望ましい。回転中の回転散乱板１２に照射されたレーザ光は、あらゆる方向に散乱するが、主にレーザ光が出射された方向に向かって進行する。
【００３３】
モータ１３は、例えば、回転散乱板１２を回転させるサーボモータである。モータ１３は、図示しない制御装置により制御され、一定の角速度で回転散乱板１２を回転させる。モータ１３の回転軸は、回転散乱板１２の中心軸、すなわち回転散乱板１２の中心点を通って回転散乱板１２に垂直な向きの軸に固定されている。
【００３４】
流体の壁面せん断応力の測定精度を向上させるには、回転散乱板１２の中心軸がモータ１３の回転軸とできるだけ一致するように、回転散乱板１２をモータ１３の回転軸に固定することが望ましい。回転散乱板１２の中心軸がモータ１３の回転軸と一致する場合、レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、回転散乱板１２のふらつきが抑制されるため、散乱光の散乱の変動が抑制され、結果として流体の壁面せん断応力の測定精度を向上できる。
【００３５】
ハウジング１４は、立方体形状に形成され、側面部に散乱光を透過可能な透過部１４ａを備える。透過部１４ａは、ガラス板又は透明な樹脂板で形成され、ハウジング１４の側面部に設けられた開口に嵌め込まれて固定されている。回転散乱板１２により散乱された散乱光の一部は、透過部１４ａを通って外部に放射される。
【００３６】
図４は、受感装置２０をＸＺ平面で切断した断面図である。受感装置２０は、流体の壁面せん断応力に応じて、発光装置１０から放射された散乱光の光路を変化させる受感手段の一例である。受感装置２０は、円筒形状のハウジング２１と、ハウジング２１の上端部に固定された支持部２２と、支持部２２に固定され、支持部２２から吊り下げられた一対のワイヤ２３と、流体に接触するように一対のワイヤ２３の先端部に支持され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板２４と、を備える。
【００３７】
ハウジング２１は、受感装置２０の各部を内部に収容する部材である。ハウジング２１は、例えば、ステンレス等の金属材料から形成された円筒形状の部材である。ハウジング２１は、その下端部に設けられ、支持板４０に設置可能なフランジ２１ａを備える。
【００３８】
フランジ２１ａは、ステンレス等から形成された円盤形状の部材であって、同一円周上に間隔を空けて配置された複数の貫通孔２１ｂを備える。貫通孔２１ｂは、ボルトが挿通可能であり、支持板４０の雌ネジ穴と合致する位置に形成されている。このため、貫通孔２１ｂにボルトが挿通され、支持板４０の雌ねじ穴にボルトがねじ込まれることにより、フランジ２１ａが支持板４０に取り外し可能に固定される。
【００３９】
図５は、受感装置２０を発光装置１０側から、すなわち、図４と同じ方向から観察した様子を示す正面図である。ハウジング２１は、その側面部に開口が形成されており、この開口に参照光の光路を形成する第２の光路形成部２６が固定されている。第２の光路形成部２６は、例えば、金属材料から形成された板状部材である。
【００４０】
第２の光路形成部２６は、第２のピンホール（第２の貫通孔）２６ａと、第２のピンホール２６ａに隣接して形成された開口部２６ｂと、を備える。第２のピンホール２６ａは、例えば、Ｙ軸方向に貫通して形成された円形の貫通孔であって、入射した散乱光の一部を通過させて参照光の光路を形成する。開口部２６ｂは、例えば、Ｙ軸方向に貫通して形成された円形状の貫通孔である。
【００４１】
開口部２６ｂの背面側には、第１の光路形成部２５が配置されている。第１の光路形成部２５は、Ｙ軸方向に貫通して形成され、散乱光が入射したときに信号光の光路を形成する第１のピンホール（第１の貫通孔）２５ａを備える。開口部２６ｂは、背面側に配置された第１の光路形成部２５が流体の壁面せん断応力によってＸ軸方向に移動した場合でも、散乱光が第１のピンホール２５ａに入射するように、すなわち、第１のピンホール２５ａが常に外部から視認可能となるように形成されている。
【００４２】
図４に戻り、ハウジング２１の側面部であって、第１の光路形成部２５及び第２の光路形成部２６の反対側に位置する部分には、別の開口が設けられている。この開口には、レーザ光を透過可能な透過部２７が固定されている。透過部２７は、例えば、ガラス板又は透明な樹脂板から形成されている。このため、散乱光が第１のピンホール２５ａを通過することにより形成された信号光と、散乱光が第２のピンホール２６ａを通過することにより形成された参照光とは、いずれも透過部２７を通ってハウジング２１の外部に出射される。
【００４３】
支持部２２は、ハウジング２１の上端部に固定され、ワイヤ２３を支持する支持手段の一例である。支持部２２は、例えば、ステンレス等の金属材料から形成されたキャップ状の部材である。支持部２２は、円形状の上面部と、上面部の側端部から下方に延びる筒状の側面部と、を備える。支持部２２は、例えば、ハウジング２１の上部に溶接、締まり嵌め等の手段によって固定されている。
【００４４】
ワイヤ２３は、一端が支持部２２に固定され、他端が流体接触板に固定され、支持部２２から流体接触板２４を吊り下げる弾性変形可能な弾性変形手段の一例である。ワイヤ２３は、例えば、ピアノ線から構成されている。ワイヤ２３は、第１のワイヤ２３ａと、第２のワイヤ２３ｂと、を含む。第１のワイヤ２３ａと第２のワイヤ２３ｂは、流体の流れ方向（Ｘ軸方向）に並べて配置されている。
【００４５】
第１の光路形成部２５は、第１のワイヤ２３ａに接着、溶接等の手段により固定されている。第１の光路形成部２５は、ＹＺ平面上に配置された板状部材であり、第１のワイヤ２３ａの変形に追従してＸ軸方向に移動する。
【００４６】
ワイヤ２３の先端部は、流体接触板２４の上面部に接着等の手段で固定されている。流体の壁面せん断応力を正確に測定するために、ワイヤ２３の先端部は、流体接触板２４に対して折れ曲がることがないように強固に固定されることが望ましい。
【００４７】
ワイヤ２３の機械的特性（例えば、バネ係数）は、測定される流体の種類、温度、壁面せん断応力の大きさ、変動幅、急峻性、気泡や乱流の有無等を考慮して、ユーザが適宜選択する。例えば、低応力場を測定する場合、ワイヤ２３のバネ係数は大きいことが望ましく、高応力場を測定する場合、ワイヤ２３のバネ係数は小さいことが望ましい。
【００４８】
ワイヤ２３は、流体接触板２４がＸ軸方向に移動した場合でも、第１の光路形成部２５のＺ軸方向への移動が無視できる程度に十分な長さを有することが望ましい。ワイヤ２３にピアノ線を用いた場合、ワイヤ２３の長さは、例えば、約１０ｃｍ〜約３０ｃｍである。
【００４９】
流体接触板２４は、流体に直接接触し、流体からの壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向（Ｘ軸方向）に移動する板状部材である。流体接触板２４は、軽量かつ剛性のある材料、例えば、ステンレス等の金属材料から形成される円盤形状の部材である。流体接触板２４は、例えば、外径１０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍの寸法で形成されている。
【００５０】
流体接触板２４の外径及び厚さは、流体の種類、壁面せん断応力の大きさ、変動幅、急峻性、気泡や乱流の有無、金属加工の容易性等を考慮して、任意の値に設定できる。流体接触板２４は、例えば、外径５ｍｍ〜２０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍの範囲内であることが好ましい。流体接触板２４の外径が小さい場合、局所的な壁面せん断応力を測定できるため、乱流の壁面せん断応力の測定に好適である。また、流体接触板２４の外径が大きい場合、壁面せん断応力の全体的な傾向を効果的に測定できる。
【００５１】
図６は、受光装置３０を上方から観察した断面図である。受光装置３０は、受感装置２０を通過した二つの散乱光を互いに干渉させ、互いに干渉した散乱光から得られたビート信号を受光する受光手段の一例である。
【００５２】
受光装置３０は、受感装置２０を通過した散乱光を一つの交点に集光してビート信号を生成するレンズ系３１と、ビート信号を散乱させる散乱体３２と、散乱体３２によって散乱させられたビート信号を受光する光検出素子３３と、を備える。受光装置３０の各部は、ハウジング３４内に設置されている。
【００５３】
レンズ系３１は、平行レンズ３１ａと、集光レンズ３１ｂと、を備える。平行レンズ３１ａは、第１のピンホール２５ａを通過した信号光及び第２のピンホール２６ａを通過した参照光を、互いに平行な光路を進むように屈折させる。集光レンズ３１ｂは、平行レンズ３１ａを通過した信号光及び参照光を、一つの交点で交差するように集束させる。
【００５４】
散乱体３２は、信号光と参照光との交点を含むように配置され、レンズ系３１を通過した光を散乱させる。散乱体３２は、例えば、回転散乱板１２と同様に、微細粒子を含むすりガラスで形成されている。流体の壁面せん断応力の変化に応じて、信号光の光路が変化するため、ビート信号の進行方向の予測は困難である。このため、散乱体３２を用いてビート信号を散乱させることにより、ビート信号の一部を光検出素子３３に確実に入射させることができる。
【００５５】
光検出素子３３は、散乱光のビート信号の強度を検出し、ビード信号の強度に対応する信号を出力するセンサである。光検出素子３３は、例えば、光電効果型の光検出器である。光検出素子３３は、微弱なビート信号を増幅する増幅器と、ノイズの影響を除去するために、増幅したビート信号から特定の周波数帯（例えば、約９０Ｈｚ〜約１５０Ｈｚ）の信号を抽出するバンドパスフィルタと、フィルタリングされたビート信号を記憶するデータロガーと、に電気的に接続されている。データロガーに記憶されたビート信号は、有線又は無線の通信回路を介して演算装置（図示せず）に送信され、流体の壁面せん断応力の演算に利用される。
【００５６】
なお、バンドパスフィルタが信号として抽出する特定の周波数帯の範囲は、実験を繰り返すことにより経験的に設定される。また、管路５０内に流体が流れていない場合にビート周波数が約５０ｋＨｚ〜約１５０ｋＨｚになるように、第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａとレンズ系３１とが互いに位置決めされている。
【００５７】
ハウジング３４は、立方体形状に形成され、その側面部にレーザ光を透過可能な透過部３４ａを備える。透過部３４ａは、ガラス板又は透明な樹脂板から形成され、側面部の開口に嵌め込まれて固定されている。受感装置２０を通過した散乱光は、透過部３４ａを通ってハウジング３４の内部に入射する。
【００５８】
演算装置は、光検出素子３３が検出したビート信号を処理して生成した信号を受信し、受信した信号からビート信号の周波数（以下、ビート周波数と称する）を取得し、ビート周波数から流体の壁面せん断応力を演算する演算手段の一例である。演算装置は、例えば、汎用コンピュータであって、プログラムを記憶するメモリと、メモリに記憶されたプログラムを実行するプロセッサを備える。以上が、測定システム１の構成である。
【００５９】
次に、図７及び図８を参照して、実施の形態１に係る測定システム１が流体の壁面せん断応力を測定する仕組みを説明する。以下、受感装置２０は、流体接触板２４が管路５０内の流体に接触しており、流体の流れに応じて流れ方向（Ｘ軸方向）に移動するように管路５０に設置されているものとする。
【００６０】
図７は、管路５０内の流体が流れていない場合の信号光及び参照光の光路を示す図である。まず、レーザ光源１１から出射されたレーザ光は、一定の角速度ωで回転中の回転散乱板１２に入射する。次いで、回転散乱板１２にて散乱した散乱光は、透過部１４ａを通って、その一部が受感装置２０に向けて放射される。そして、発光装置１０から放射された散乱光が、受感装置２０の第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａを通過することにより、信号光及び参照光が形成される。
【００６１】
次に、第１のピンホール２５ａからの信号光及び第２のピンホール２６ａからの参照光は、それぞれ受光装置３０の透過部３４ａを通過して、受光装置３０の内部に入射する。受光装置３０に入射した信号光及び参照光は、レンズ系３１によって集束させられ、一つの交点で交わることにより、互いに干渉して光のビート信号に変換される。信号光及び参照光の交点に散乱体３２が配置されているため、変換されたビート信号は散乱し、最終的に光検出素子３３にて受光される。
【００６２】
ビート信号の生成について、より詳細に説明すると、第１のピンホール２５ａを通過した信号光と、第２のピンホール２６ａを通過した参照光とは、回転散乱板１２から異なる向きに放射された散乱光を用いて形成されているため、それぞれ周波数が異なる。互いに周波数が異なる信号光と参照光とが干渉することにより、うなりが発生してビート信号が生成される。
【００６３】
流体の壁面せん断応力が発生していないとき、すなわち初期状態におけるビート周波数ｆｄ１は、以下の式で表される。ただし、ｆ１は、参照光の周波数、ｆ２は、流体の壁面せん断応力が発生していない場合の信号光の周波数、ｒは、回転散乱板１２におけるレーザ光が照射される部分の半径、λは、光の波長、φは、第１のピンホール２５ａに入射する散乱光と第２のピンホール２６ａに入射する散乱光とのなす角（散乱角）である。
ｆｄ１＝｜ｆ１−ｆ２｜＝２ωｒ／λ×ｓｉｎ（φ／２）  …（１）
【００６４】
図８は、管路５０内を流体の流れている場合の信号光及び参照光の光路を示す図である。図８では、流体の流れにより流体接触板２４に壁面せん断応力が作用しているため、図７に比べて流体接触板２４が流体の流れ方向（Ｘ軸方向）に移動している。これに伴い、流体接触板２４を支持している第１のワイヤ２３ａが変形してＸ軸方向に移動する。このため、第１のワイヤ２３ａに固定された第１の光路形成部２５の第１のピンホール２５ａは、流体の壁面せん断応力に応じて、Ｘ軸方向に移動する。
【００６５】
このとき、第１のピンホール２５ａを通過した信号光は、図８の点線に示すように、図７の場合の信号光（図８の実線で示す）と異なる角度で平行レンズ３１ａに入射する。第１のピンホール２５ａの位置が変化したことにより、信号光の第１のピンホール２５ａから交点までの光路長が変化するため、交点における信号光の位相も変化する。第２のピンホール２６ａは、受光装置３０との相対的な位置関係が一定となるように配置されているため、流体の壁面せん断応力が変化しても、交点における参照光の位相は変化しない。このため、流体の壁面せん断応力が発生すると、信号光と参照光との間の位相差が変化する。この位相差の変化が散乱光の干渉により発生するビート信号のビート周波数を変化させる。
【００６６】
流体の壁面せん断応力の発生に伴い、第１のピンホール２５ａがＸ軸方向に移動すると、信号光の周波数はｆ２からｆ３に変化し、散乱角はφからφ’に変化することにより、ビート信号のうなりが変化する。流体の壁面せん断応力の測定時におけるビート周波数ｆｄ２は、以下の式で表される。
ｆｄ２＝｜ｆ１−ｆ３｜＝２ωｒ／λ×ｓｉｎ（φ’／２）  …（２）
【００６７】
さらに、流体の壁面せん断応力τｗとビード周波数の差（ｆｄ２−ｆｄ１）とは、以下の式に示す関係を有する。ただし、係数ｋは、実験を繰り返すことにより決定される係数である。例えば、ワイヤ２３としてピアノ線を用いる場合であって、重力単位系を用いるときの係数は、ｋ＝０．０３１７であり、国際単位系（International System of Units：ＳＩ）を用いるときの係数は、ｋ＝３．９６４である。
τｗ＝ｋ×（ｆｄ２−ｆｄ１）  …（３）
【００６８】
管路内に流体が流れている場合、演算装置は、流体のせん断応力に応じて変化したビート周波数から、式（３）を用いて流体の壁面せん断応力を算出できる。また、流体の壁面せん断応力が発生していない場合、流体の壁面せん断応力の測定時におけるビート周波数ｆｄ２は、初期状態のビート周波数ｆｄ１と一致するため（ｆｄ２＝ｆｄ１）、演算装置は、式（３）を用いて流体の壁面せん断応力τｗがゼロであると算出できる。
【００６９】
以上説明したように、実施の形態１に係る測定システム１は、発光装置１０からの散乱光を通過させる第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａを含み、第１のピンホール２５ａは、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動し、第２のピンホール２６ａは、流体の壁面せん断応力が変化しても一定の位置に維持される受感装置２０を備える。このため、測定システム１は、流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接測定でき、乱流や気泡流に対応可能な高い時間分解能を実現できる。
【００７０】
また、実施の形態１に係る測定システム１は、流体に接触するように配置され、流体の壁面せん断応力に応じて流体の流れ方向に移動する流体接触板２４を備える。このため、流体接触板２４が流体の壁面せん断応力を流体の流れから直接受感でき、その結果として、流体の壁面せん断応力を精度よく測定できる。
【００７１】
さらに、実施の形態１に係る測定システム１は、測定対象に固定された支持部２２から流体接触板２４を吊り下げている弾性変形可能な一対のワイヤ２３を備える。このため、測定システム１の軽量化を実現できると共に、流体接触板２４が流体の流れに追従しやすくなり、その結果、流体の壁面せん断応力をさらに精度よく測定できる。
【００７２】
（実施の形態２）
図９を参照して、本発明の実施の形態２に係る測定システムの構成を説明する。実施の形態２に係る測定システムは、実施の形態１に係る測定システム１と異なり、気泡等が含まれる混相流の壁面せん断応力を測定するために、受感装置２０の上部からハウジング２１内に気体を供給するように構成されている。実施の形態２では、壁面せん断応力の測定対象である流体が、管路５０内を流れる海水、地下水等の液体であるものとする。
【００７３】
図９は、図４と同様に受感装置２０をＸＺ平面で切断した断面図であり、液体の一部が受感装置２０の下方からハウジング２１内に浸入している様子を示す。理解を容易にするために、第２の光路形成部２６及び第２のピンホール２６ａを点線で図示している。受感装置２０は、ハウジング２１の内側面と流体接触板２４の外周面との間からハウジング２１内に液体が浸入可能に形成されている。ワイヤ２３がハウジング２１内に浸入した液体に浸されるため、壁面せん断応力の測定結果に影響するワイヤ２３の振動が抑制される。
【００７４】
受感装置２０の支持部２２は、上面部から下面部に向けて貫通する貫通孔２２ａを備える。貫通孔２２ａは、空気を送気可能なチューブ２８を介してハウジング２１内に気体を供給する送気装置２９に接続されている。送気装置２９は、例えば、コンプレッサ、シリンジ等を備える。
【００７５】
送気装置２９は、ハウジング２１内に気体を供給することで、ハウジング２１内に浸入した液体がレーザ光の経路に侵入しないように、言い換えると、ハウジング２１内に浸入した液体の液面が第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａよりも下方に位置するように、液体の液面を加圧する送気手段の一例である。より詳細に説明すると、送気装置２９は、ハウジング２１内に浸入した液体の液面の位置を、流体接触板２４の上面部と第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａとの間に保持するように、ハウジング２１内に気体を供給することで液体の液面を加圧する。送気装置２９により供給される気体は、例えば、空気、窒素ガス等である。
【００７６】
送気装置２９は、ハウジング２１内の液体の液面の位置を流体接触板２４の上面部と第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａとの間に保持するために、ハウジング２１内の気体を一定の圧力（例えば、約１４〜約１３１ｋＰａ）で加圧する。ハウジング２１内の気体を一定の圧力に保持することにより、ハウジング２１内の液体の液面の位置は、周囲環境の変化に応じて多少変化するものの、流体接触板２４の上面部と第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａとの間に保持される。
【００７７】
なお、ハウジング２１の側壁面には、ユーザがハウジング２１内の液体の液面位置を視認するために、ハウジング２１の下端部の近傍から第２のピンホール２６ａの近傍までＺ軸方向に延びる透明な観察窓を設けてもよい。
【００７８】
気泡等を含む液体がハウジング２１内に浸入して、発光装置１０から放射されるレーザ光の経路に侵入すると、気泡等がレーザ光の経路を塞いでレーザ光を散乱させる結果、壁面せん断応力の測定精度に影響を及ぼす可能性がある。しかし、実施の形態２に係る測定システムは、上記のように構成されているため、気泡等がレーザ光の経路を塞ぐおそれがなく、気泡等を含む混相流であっても壁面せん断応力を高い精度で測定できる。
【００７９】
また、実施の形態２に係る測定システムは、ワイヤ２３がハウジング２１内に浸入した液体に浸されるように構成されているため、液体の存在によりワイヤ２３の振動を抑制できる。その結果、液体の壁面せん断応力に含まれるノイズを低減でき、壁面せん断応力を高い精度で測定できる。
【００８０】
（実施の形態３）
図１０を参照して、本発明の実施の形態３に係る測定システムの構成を説明する。実施の形態３に係る測定システムは、実施の形態１、２に係る測定システムと異なり、モータ１３の回転軸からの動力を、ターニングベルト等の動力伝達手段を介して回転散乱板１２の回転軸に伝達するように構成されている。
【００８１】
図１０は、ターニングベルト１５及びプーリー１６を備える発光装置１０の構成を示す断面図である。ターニングベルト１５及びプーリー１６は、モータ１３の回転軸からの動力を回転散乱板１２の回転軸に伝達する動力伝達手段の一例である。ターニングベルト１５は、プーリー１６の周りに沿って変形可能なベルトである。ターニングベルト１５は、例えば、ゴム、エラストマ等のプーリー１６の周りに沿って変形可能であると共に、動力を伝達可能な程度に剛性がある材料から形成されている。
【００８２】
プーリー１６は、モータ１３の回転軸の先端部に設けられた第１のプーリー１６ａと、回転散乱板１２の回転軸の基端部に設けられた第２のプーリー１６ｂと、を備える。第１のプーリー１６ａと第２のプーリー１６ｂとは、ハウジング１４内で同一平面上に配置されている。第１のプーリー１６ａ及び第２のプーリー１６ｂには、両者を機械的に接続するようにターニングベルト１５が取り付けられている。このため、モータ１３により第１のプーリー１６ａが回転すると、第１のプーリー１６ａの回転がターニングベルト１５を介して第２のプーリー１６ｂに伝達され、第２のプーリー１６ｂの回転に伴い回転散乱板１２が回転する。
【００８３】
第２のプーリー１６ｂが固定された回転散乱板１２の回転軸は、ハウジング１４に固定された枠体１７に対して先端側及び基端側の２つの箇所で回転可能に支持されている。このため、回転散乱板１２は、ふらつくことなくその回転軸周りに回転できる。枠体１７は、回転散乱板１２の回転軸と共にレーザ光源１１を支持している。このため、レーザ光源１１から放射されたレーザ光は、回転散乱板１２の所定の位置に照射される。
【００８４】
実施の形態１、２の測定システムのように回転散乱板１２がモータ１３の回転軸に直接固定されている場合、モータ１３の組み付け精度等に由来するモータ１３の回転軸のふらつきが回転散乱板１２の回転に影響を及ぼし、回転散乱板１２から放射される散乱光の品質が低下するおそれがある。しかし、実施の形態３に係る測定システムは、上記のように構成されているため、モータ１３の回転軸のふらつきがターニングベルト１５及びプーリー１６で吸収される。したがって、回転散乱板１２を回転軸周りに安定して回転させることができ、回転散乱板１２からの均一な散乱光の放射を実現できる。その結果、流体の壁面せん断応力を高い精度で測定できる。
【００８５】
（実施例１）
次に、図１１〜図１６を参照して、測定システム１が、単相流及び気泡流における流体の壁面せん断応力を正確に測定できるかどうかを検証した結果を示す。本検証では、水平チャネルにおける内部流れにおいて流体の壁面せん断応力を測定した。
【００８６】
図１１は、本検証にて使用した実験装置の概略を示す図である。左右に延びているチャネルは、断面が矩形状であり、気泡を視認可能とするために、透明なアクリル樹脂から形成されている。チャネルの内部には、タンクからラインポンプを介して供給された水が、左から右に向かって流されている。チャネルの全長は６０００ｍｍ、高さは２０ｍｍ、幅は１６０ｍｍである。測定システム１は、流れが十分に発達した領域の流体の壁面せん断応力を測定するため、チャネルの先端から３７５０ｍｍ離れた位置にある。チャネルの先端から２２５０ｍｍの位置には、チャネル内に気泡を注入する気泡注入器が取り付けられている。
【００８７】
図１２は、本検証の実験条件を示すデータテーブルである。Ｒｅｍは、平均流速Ｕｍで定義された並行平板間レイノルズ数である。本検証では、図１２に示す実験条件で実験を行った。本検証では、ラインポンプを、インバータを用いて制御することにより、チャネル内を流れる水の流量を変化させ、レイノルズ数Ｒｅｍを適宜変化させた。
【００８８】
本検証では、光検出素子３３で検出された光のビート信号は、以下の手法で解析した。まず、光検出素子３３で検出したビート信号を、７５〜９９Ｈｚの周波数帯の信号を通過させるバンドパスフィルタで処理し、その後、処理された信号の強度をデータロガーに記録した。そして、データロガーに記憶されたビート信号に、短時間フーリエ変換（Short Time Fourier Transform：ＳＴ−ＦＴ）を適用することにより、周波数解析を行った。具体的には、本検証で取得された合計１０４８５７６点のデータを１２８点ずつにまとめ、８１９２区間ごとに周波数解析を行った。これにより、時間２５６μｓごと、周波数３．９Ｈｚ刻みで、２５０Ｈｚまでのパワースペクトルを得た。各区間におけるパワースペクトルの上位１０個の周波数を平均することにより、各区間におけるビート信号の周波数を取得した。
【００８９】
図１３は、単相流の場合におけるレイノルズ数Ｒｅｍと摩擦抵抗係数Ｃｆの時間平均値との関係を示すグラフである。各プロットは、複数回測定した値に基づく摩擦抵抗係数Ｃｆの平均値である。実線は、以下に示すＤｅａｎによる平行平板間流れの経験式で計算される摩擦抵抗係数Ｃｆの値である。
【００９０】
Ｄｅａｎの経験式は以下のように表される。
Ｒｅｍ＝√（２／Ｃｆ）×ｅｘｐ［０．４１（√（２／Ｃｆ）−２．４］  …（４）
【００９１】
図１３に示すように、摩擦抵抗係数Ｃｆの測定値は、Ｄｅａｎの経験式から導出した摩擦抵抗係数Ｃｆの理論値とよく一致している。レイノルズ数Ｒｅｍが６０００〜８０００の場合、標準偏差は２４％であり、レイノルズ数Ｒｅｍが９０００〜２２０００の場合、標準偏差は１０％であった。
【００９２】
なお、摩擦抵抗係数Ｃｆと壁面せん断応力τｗは、以下の式を満たすことが知られている。ただし、ρは密度、ｕｍは流速である。
Ｃｆ＝２τｗ／ρｕｍ  …（５）
【００９３】
式（５）を考慮すると、上記の実験結果は、測定システム１が、単相流において系統誤差１０％以内で壁面せん断応力τｗを計測できることを示している。
【００９４】
図１４は、気泡流の場合におけるレイノルズ数Ｒｅｍと摩擦抵抗係数Ｃｆの時間平均値との関係を示すグラフである。各プロットは、複数回測定した摩擦抵抗係数Ｃｆの平均値である。実線は、Ｄｅａｎによる平行平板間流れの経験式で計算される摩擦抵抗係数Ｃｆの値である。
【００９５】
図１４に示すように、摩擦抵抗係数Ｃｆの測定値は、Ｄｅａｎの経験式から導出した摩擦抵抗係数Ｃｆの理論値とよく一致している。レイノルズ数Ｒｅｍが６０００〜８０００の場合、標準偏差は２７％であった。また、レイノルズ数Ｒｅｍが９０００〜２２０００の場合、標準偏差は１０％以内であった。このことは、測定システム１が、気泡流においても、系統誤差１０％以内で壁面せん断応力τｗを計測できることを示している。
【００９６】
図１５は、レイノルズ数Ｒｅが２２０００の単相流における、壁面せん断応力τｗの時間変動を示すグラフである。図１５の波形からは、高周波変動及び低周波変動の存在を確認できる。高周波変動は、光学系の電子ノイズが原因であると推測される。低周波変動は、流体の壁面せん断応力の変化を捉えたものである。壁面せん断応力が、乱流の縦渦構造の変化によってスパイク状に変化していることを確認できる。このことは、測定システム１が、乱流による壁面せん断応力の変動を検出できることを示している。
【００９７】
図１６は、レイノルズ数Ｒｅが２２０００の気泡流における、微細気泡による摩擦抵抗低減効果領域外の壁面せん断応力τｗの時間変化を示すグラフである。気泡流のボイド率は２０％以下であった。低周波変動は、単相流の場合と同様に、流体の壁面せん断応力の変化を捉えたものである。このことは、測定システム１が、気泡のバーストによる壁面せん断応力の変動を検出できることを示している。
【００９８】
ノイズ成分を除くために２τｗを超えるピークをスパイクと定義して、図１５、図１６の場合における、全計測区間内のスパイク数をカウントした。単相流の場合、スパイク数は１６であるのに対し、気泡流の場合、スパイク数は１７であった。したがって、気泡流の場合の摩擦抵抗低減効果領域外におけるバーストの発生頻度は、単相流の場合と同程度であることが理解できる。
【００９９】
以上説明したように、本検証を通して、測定システム１が系統誤差１０％以内で壁面せん断応力を測定できること、単相流において乱流による壁面せん断応力のピークを測定できることを確認できた。また、気泡流の場合の摩擦抵抗低減効果領域外におけるバーストの発生頻度は、単相流の場合と同程度であることが理解できた。したがって、測定システム１が、従来の測定システムと比べて、高い時間分解能を有していることが確認できた。
【０１００】
（実施例２）
次に、図１７〜図２０を参照して、測定システム１が外部流れにおいて壁面せん断応力を正確に測定できるかどうかを、測定システム１を装着した実験船を曳航水槽内で曳航させ、検証した結果を示す。
【０１０１】
図１７（ａ）は、曳航水槽内で曳航されたアクリル製の実験船を示す斜視図であり、図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の実験船の断面図である。図１７（ａ）では、実験船の船首は下側に、実験船の船尾は上側に図示されている。曳航水槽は、長さ８０ｍ、幅８ｍ、深さ３．５ｍである。実験船の船首には、船首から０．６５ｍの位置に、実験船の後方に向けて曳航水槽内の地下水に気泡を注入する気泡注入器が設けられている。また、実験船の船尾には、船首から３．３５ｍの位置に壁面せん断応力を測定するための測定システム１が設けられている。
【０１０２】
図１８（ａ）は、気泡を注入しない場合（単相流）における実験条件を示すデータテーブルであり、図１８（ｂ）は、気泡を注入した場合（気泡流）における実験条件を示すデータテーブルである。本検証では、単相流及び気泡流のそれぞれについて、曳航水槽内に地下水を張った状態で、図１８（ａ）、図１８（ｂ）に示す実験条件で実験船を曳航し、流体の壁面せん断応力を測定した。なお、気泡流の場合、実験船を１．５ｍ／ｓ、２．２５ｍ／ｓ、３．０ｍ／ｓで曳舟させ、実験船の速度毎にボイド率を変化させて壁面せん断応力を測定した。ボイド率は、流体の単位体積あたりに含まれるボイド（気泡）の体積比率である。
【０１０３】
図１９は、単相流の場合における壁面せん断応力τｗと実験船の速度Ｕｍとの関係を示すグラフである。図１９のグラフの各点は、測定システム１により実際に測定されたデータであり、実線は、Ｐｒａｎｄｔｌ−Ｓｃｈｌｉｃｈｔｉｎｇの式に基づく理論値である。受感装置２０（変位計）の測定可能範囲は、２．６Ｐａ〜１２．４Ｐａ（標準偏差３％未満）であった。図１９に示すように、外部流れが単相流の場合、流速の増加に応じて壁面せん断応力τｗが増加する様子を確認できた。
【０１０４】
図２０は、気泡流の場合における壁面せん断応力比τｗ／τ０とボイド率αδとの関係を示すグラフである。壁面せん断応力τ０は、ボイド率αδがゼロの場合の壁面せん断応力である。図２０に示すように、外部流れが気泡流の場合、実験船の速度が速いほど摩擦抵抗低減効果が得られることが確認できた。また、流速が３．０ｍ／ｓの場合、気泡の量を増やしてボイド率αδが増加するにつれて、壁面せん断応力比τｗ／τ０が低下し、摩擦抵抗低減効果が得られることが確認できた。
【０１０５】
以上説明したように、本検証を通して、外部流れにおいても内部流れと同様に壁面せん断応力の測定が可能であることを確認できた。また、外部流れにおいて気泡流を発生させることにより、内部流れの場合と同様に摩擦抵抗低減効果が得られることを確認できた。
【０１０６】
（変形例）
本発明は上記の実施形態に限られず、以下に述べる変形も可能である。
【０１０７】
上記実施の形態では、レーザ光源１１から出射するレーザ光を用いて散乱光を形成していたが、本発明はこれに限られない。例えば、光源として、発光ダイオード等を用いてもよい。
【０１０８】
上記実施の形態では、受感装置２０のハウジング２１は円筒形状であったが、本発明はこれに限られない。ハウジング２１は、内部に一対のワイヤ２３及び流体接触板２４を収容可能であればよく、例えば、断面形状が楕円、多角形の筒状部材であってもよい。また、ハウジング２１の内部に流体が入り込んだとしても、測定精度に影響を及ぼさないため、必ずしもハウジング２１の断面形状と流体接触板２４の形状が一致している必要はなく、互いに異なる形状に形成してもよい。
【０１０９】
上記実施の形態では、ハウジング２１と支持部２２とが別体であったが、本発明はこれに限られない。例えば、ハウジング２１と支持部２２とを一体に構成して、一つのハウジングとしてもよい。
【０１１０】
上記実施の形態では、第１の貫通孔及び第２の貫通孔として、第１のピンホール２５ａ及び第２のピンホール２６ａを用いていたが、本発明はこれに限られない。第１の貫通孔及び第２の貫通孔は、例えば、楕円形、多角形等の貫通孔、スリット等であってもよい。
【０１１１】
上記実施の形態では、開口部２６ｂは円形の貫通孔であったが、本発明はこれに限られない。開口部２６ｂは、第１のピンホール２５ａがＸ軸方向に移動したとしても観察可能な形状であればよく、例えば、矩形状、スリット状であってもよい。
【０１１２】
上記実施の形態では、ハウジング２１の開口にガラス板又は透明な樹脂板からなる透過部２７を固定していたが、本発明はこれに限られない。例えば、ハウジング２１内部に入り込んだ流体を排出するために、ハウジング２１に開口を設けたままにしてもよい。
【０１１３】
上記実施の形態では、透過部１４ａ、２７、３４ａはハウジング１４、２１、３４の開口に固定されていたが、本発明はこれに限られない。例えば、透過部１４ａ、２７、３４ａは、開口に対して着脱自在に構成されてもよい。この場合、透過部１４ａ、２７、３４ａを取り外して清掃することで汚れ等を除去できるため、壁面せん断応力の測定精度の低下を抑制できる。
【０１１４】
上記実施の形態では、流体接触板２４を一対のワイヤ２３で吊していたが、本発明はこれに限られない。流体接触板２４が流体の流れ方向から傾くことなく流体の流れ方向に移動する構成であれば、流体接触板２４を支持する部材は、いかなる部材であってもよく、流体接触板２４をゴム又はエラストマからなる部材で支持してもよい。
【０１１５】
上記変形例に関連して、例えば、ゴム又はエラストマからなる一対の板状弾性部材を、それぞれＹ軸方向を向くようにして、Ｘ軸方向に並べて配置してもよい。板状弾性部材は、Ｙ軸方向を向いているので、Ｙ軸方向には変形しにくく、Ｘ軸方向には変形しやすいため、Ｘ軸方向に作用する流体の壁面せん断応力を精度よく測定できる。
【０１１６】
上記実施の形態では、ワイヤ２３としてピアノ線を用いていたが、本発明はこれに限られない。例えば、ワイヤ２３としてステンレス線、硬鋼線、鉄線等を用いてもよい。また、ワイヤ２３は２本であったが、本発明はこれに限られず、例えば、３本以上であってもよい。
【０１１７】
上記実施の形態では、発光装置１０、受感装置２０及び受光装置３０は、別々のハウジングを備えていたが、本発明はこれに限られない。例えば、発光装置１０、受感装置２０、受光装置３０の各構成を一つのハウジングに収容してユニット化してもよい。
【０１１８】
上記実施の形態３では、動力伝達手段としてターニングベルト１５及びプーリー１６を例示していたが、本発明はこれに限られない。例えば、動力伝達手段として金属チェーンからなるターニングベルトと当該金属チェーンと係合する歯車とを用いてもよい。
【０１１９】
上記実施の形態では、測定システム１を断面矩形状の管路５０に固定して、管路５０内の流体（内部流れ）の壁面せん断応力を測定する場合を例示したが、本発明はこれに限られない。例えば、測定システム１を船舶の外板等に固定して、船舶の外板に作用する流体（外部流れ）の壁面せん断応力を測定してもよい。
【０１２０】
上記変形例に関連して、船舶の外板に作用する流体の壁面せん断応力に基づいて、船舶の対流速度を導出できる。従来、船舶の対地速度の測定が行われてきたが、航行中の船舶における対流速度の測定は実現できていなかった。導出された対流速度を用いて船舶に搭載されたエンジン等の動力源の制御を行った場合、燃費を改善することができる。特に、船舶がタンカーのような大型船の場合、燃費を大幅に改善できる。
【０１２１】
また、船舶の海面との間における摩擦抵抗を低減するために、微細気泡を乱流境界層に注入する技術が知られているが、測定システム１を用いることにより、船舶の海面との接触場における、気泡による摩擦抵抗低減現象の詳細な実証実験が可能になる。このため、船舶ごとに測定システム１を用いて実証実験を行うことにより、乱流境界層に微細気泡を流入する量、位置、タイミング等を最適化することができる。
【０１２２】
上記実施の形態は例示であり、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の趣旨を逸脱しない範囲でさまざまな実施の形態が可能である。各実施の形態や変形例で記載した構成要素は自由に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した発明と均等な発明も本発明に含まれる。
【符号の説明】
【０１２３】
１      測定システム
１０    発光装置
１１    レーザ光源
１２    回転散乱板
１３    モータ
１４、２１、３４    ハウジング
１４ａ、２７、３４ａ  透過部
１５    ターニングベルト
１６    プーリー
１６ａ  第１のプーリー
１６ｂ  第２のプーリー
１７    枠体
２０    受感装置
２１ａ  フランジ
２１ｂ  貫通孔
２２    支持部
２３    ワイヤ
２３ａ  第１のワイヤ
２３ｂ  第２のワイヤ
２４    流体接触板
２５    第１の光路形成部
２５ａ  第１のピンホール
２６    第２の光路形成部
２６ａ  第２のピンホール
２６ｂ、５１  開口部
２８    チューブ
２９    送気装置
３０    受光装置
３１    レンズ系
３１ａ  平行レンズ
３１ｂ  集光レンズ
３２    散乱体
３３    光検出素子
４０    支持板
５０    管路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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