(57)【要約】【課題】水路の内部における水の状態と、水路を流れる水の流速とを関連付けることにより、渦の渦度や循環と渦による空気の吸い込みの有無とを関連付けることが可能な、流体の計測方法を提供する。【解決手段】流体１２の速度を計測する工程と渦１３の全体の形状を計測する工程とは同時になされる。流体１２の速度を計測する工程において水面近傍を観察するために用いる第１の光源２０の発する第１の光の波長と、渦１３の全体の形状を計測する工程において渦１３を観察するために用いる第２の光源３０の発する第２の光の波長とは異なっている。流体１２の速度は、第２の光よりも第１の光を選択的に透過する第１のフィルタが取り付けられた第１の撮像手段４０により計測される。渦１３の全体の形状は、第１の光よりも第２の光を選択的に透過する第２のフィルタが取り付けられた第２の撮像手段５０により計測される。【選択図】図１
2012098112.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水路の内部を流れる流体において発生する渦の水面近傍の水平断面における前記流体の速度を計測する工程と、
前記渦の全体の形状を計測する工程とを備える、流体の計測方法であって、
前記流体の速度を計測する工程と前記渦の全体の形状を計測する工程とは同時になされ、
前記流体の速度を計測する工程において前記水面近傍を観察するために用いる第１の光源の発する第１の光の波長と、前記渦の全体の形状を計測する工程において前記渦を観察するために用いる第２の光源の発する第２の光の波長とは異なっており、
前記流体の速度は、前記第２の光よりも前記第１の光を選択的に透過する第１のフィルタが取り付けられた第１の撮像手段により計測され、
前記渦の全体の形状は、前記第１の光よりも前記第２の光を選択的に透過する第２のフィルタが取り付けられた第２の撮像手段により計測される、流体の計測方法。
【請求項２】
前記第１の撮像手段により計測される前記流体の速度と、前記第２の撮像手段により計測される前記渦の全体の形状との時間変化の測定開始時点を示す画像を、前記第１および第２の撮像手段において同時に撮像する工程をさらに備える、請求項１に記載の流体の計測方法。
【請求項３】
前記第２の光は赤色光である、請求項１または２に記載の流体の計測方法。
【請求項４】
渦の水面近傍の水平断面における流体の速度を計測するための第１の光源と、
前記第１の光源の発する第１の光を用いて前記水面近傍を観察する第１の撮像手段と、
前記流体の速度の計測と同時に、前記渦の全体の形状を計測するための第２の光源と、
前記第２の光源の発する第２の光を用いて前記渦の全体の形状を観察する第２の撮像手段と、
前記第１の撮像手段と前記第２の撮像手段とが観察する像を同期するコントローラとを備えており、
前記第１の光の波長と前記第２の光の波長とは異なり、
前記第１の光源は前記水面近傍にシート状に光を照射することが可能であり、前記第２の光源は前記渦の全体を照らすように光照射することが可能である、流体計測装置。
【請求項５】
前記第２の光は赤色光である、請求項４に記載の流体計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体の計測方法および流体計測装置に関し、より特定的には、流体に発生する渦の計測方法および計測装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
水力発電所は一般的に、低所へ流れようとする高所の流体（たとえば水）がもつ位置エネルギーを利用して水車を回転させ、当該水車に接続された発電機を駆動させることにより発電を起こす施設である。
【０００３】
図５は、水力発電所の仕組みを示す概略図である。図５に示すダム６１の左側の領域には、たとえば貯水池としての河川の水が貯留している。この河川の水がダム６１にて堰き止められることにより、河川の水が図５に示すダム６１の右側の領域に溢れることを防止する構造となっている。
【０００４】
ダム６１の左側の領域に貯留する河川などの水は、ダムの下部に設けられた導水路６４を流通することにより水車６２に到達する。導水路６４を流通する水は、ダム６１の左側の領域における水面の高さと導水路６４の高さとの差分の位置エネルギーを有する。このため、導水路６４を流通して水車６２に流れる水のもつ位置エネルギーが、水車６２を回転させる原動力として利用される。
【０００５】
水車６２の回転に伴い、水車６２に接続された発電機６３が回転することにより、発電機６３は発電する。そして発電機６３の発電を水力発電として出力する。なお、水車６２を回転させた水は、水車６２の下流側に配置された放水路６５を流通することにより放水される。
【０００６】
ダム６１の下部に埋設された導水路６４の内部に河川などの水を流通させるために、通常河川などの水の内部には、導水路６４に通ずる取水構造体６０が配置されている。河川などから取水構造体６０へ水を取り入れるスクリーン５９が、水を取水構造体６０の内部に取り込み、これを導水路６４に流通させる。
【０００７】
取水構造体６０から給水する際に、取水口の周囲にて水の動乱に起因する渦が発生することがあり、導水路６４に空気が取り込まれることがある。この空気が導水路６４を流通する間に大きくなれば、空気の塊が上流側の取水口などで排出される際に、導水路６４や取水構造体６０に対して空気排出に伴う衝撃波を与え、衝撃波が導水路６４や取水構造体６０を損傷する可能性がある。
【０００８】
このような不具合を抑制するためには、渦による空気の吸い込みの発生を抑制することが必要である。しかし水路を流れる水の流速のベクトル分布（特に流速ベクトル分布から算出される渦度や循環）を、渦の特性を表わすパラメータとして測定することは比較的容易であるが、水路の内部における渦の全体の形状や空気の吸い込みの発生の有無を検証することは困難である。そこで水路の内部における渦の全体の形状と、渦の水面上、特に渦の水面近傍の水平断面の流速とを関連付ければ、渦の水面上の流速を計測するだけで渦の全体の形状（特に渦による空気の吸い込みの有無）を推定することが可能となる。なおここでは渦の水面とは渦を構成するたとえば水などの流体の最上方の面を意味し、水平断面とは水平方向に沿う断面を意味するものとする。また渦の全体の形状とは、渦の最上方から最下方まで（水路の表面から底部まで）の断面全体を含む、渦の形状を意味するものとする。
【０００９】
上記の関連付けを行なうためには、模型実験で水路の内部における渦の全体の形状を観測することが必要となる。渦の水面近傍の水平断面における流速は、暗室の内部に設けられた、導水路６４の模型の水路を用いることにより計測される。具体的には、たとえばＰＩＶハンドブック（非特許文献１）に開示されるＰＴＶ（Particle Tracking Velocimetry）と呼ばれる技術を用いることにより、当該流速が計測される。
【００１０】
ＰＴＶにおいてはまず水路の水中に、光が照射されると可視的に観測できるトレーサ粒子を散布する。その状態で水路に水を流し、渦を発生させながら、水路の水面近傍の水平断面にダブルパルスレーザ光をシート状に照射する。このとき観察される水面近傍のトレーサ粒子の流れが、たとえばＣＣＤカメラによるデジタル画像処理技術により抽出される。このようにすれば、水路の渦の水面近傍の水平断面の流速ベクトル分布（特に流速ベクトル分布から導出される渦度や循環）が導出される。
【００１１】
ところで流体中の物体の挙動と、物体周りの流体の流れ場の相互関係を同時に可視化する技術は、たとえば特開２００１−２２７９２８号公報（特許文献１）に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００１−２２７９２８号公報
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】「ＰＩＶハンドブック」、日本、森北出版株式会社、２００２年７月、第１版、ｐ．１−ｐ．６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
ところがダブルパルスレーザ光の照射のみでは、渦の水面近傍の水平断面の流速を観測することは可能であるが、渦の全体の形状を観測することができない。そこで渦の全体の形状を観測する際には、ダブルパルスレーザ光よりも水路全体を照射することが可能な、太陽光に近い光源が用いられる。
【００１５】
しかし太陽光に近い光源を用いると、光源の強度が高いために暗室内が明るくなり、水路の表面と底部とを含む全体が照射され、水路の内部の全体のトレーサ粒子が観測される。このため太陽光に近い光源を用いると、渦の水面近傍の水平断面の流速を観測することが困難となる。このため従来は水路の内部における渦の全体の形状と、渦の水面近傍の水平断面の流速とを同時に測定することが困難であった。
【００１６】
上記のように、渦の全体の形状と、渦の水面近傍の水平断面の流速とを関連付けるためには、渦の全体の形状と、渦の水面近傍の水平断面の流速とが同時に計測されることが好ましい。上記の特許文献１には、たとえば飛んでいくボールなどの飛翔物体の周囲の流れ場と、当該飛翔物体の挙動とを計測する方法や装置が開示されているが、水路の内部における水の状態、特に渦の形状を観測する方法、および水の内部と表面との状態を同時に計測する方法については開示されていない。また上記の非特許文献１においても、渦に特化した計測方法については開示されていない。
【００１７】
本発明は、以上の問題に鑑みなされるものである。その目的は、水路の内部における渦の全体の形状と、渦の水面近傍の水平断面の流速とを関連付けることにより、渦の特性を表すパラメータ（渦度、循環）と渦による空気の吸い込みの有無とを関連付けることが可能な計測方法、および計測装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明の一実施例は、水路の内部を流れる流体において発生する渦の水面近傍の水平断面における流体の速度が計測され、上記渦の全体の形状が計測される流体の計測方法である。上記流体の速度を計測する工程と渦の全体の形状を計測する工程とは同時になされる。上記流体の速度を計測する工程において水面近傍を観察するために用いる第１の光源の発する第１の光の波長と、渦の全体の形状を計測する工程において渦を観察するために用いる第２の光源の発する第２の光の波長とは異なっている。上記流体の速度は、第２の光よりも第１の光を選択的に透過する第１のフィルタが取り付けられた第１の撮像手段により計測される。上記渦の全体の形状は、第１の光よりも第２の光を選択的に透過する第２のフィルタが取り付けられた第２の撮像手段により計測される。
【００１９】
本実施の形態の計測方法を用いれば、流体に発生する渦の水面近傍の速度を観察するために用いる第１の光源の光は、第２のフィルタをほとんど透過せず、渦の全体形状を観察するために用いる第２の光源の光は、第１のフィルタをほとんど透過しない。これは第１の光源の光と第２の光源の光との波長が異なるためである。具体的には、たとえば第１の光源の光は波長５３２ｎｍの緑色のＹＡＧレーザであるのに対し、第２の光源の光は後述するように波長６００ｎｍ以上（たとえば波長６００ｎｍ以上６８０ｎｍ以下）の赤色光であることが考えられる。
【００２０】
第１の撮像手段には第２の光源の光がほとんど侵入しないため、第１の撮像手段には第２の光源が照射する渦の全体形状の情報がほとんど入力されない。同様に第２の撮像手段には第１の光源の光がほとんど侵入しないため、第２の撮像手段には第１の光源が照射する渦の水面近傍の情報がほとんど入力されない。このため第１および第２の撮像手段を用いて、渦の水面近傍の速度と渦の全体形状とを同時に計測することが可能となる。
【００２１】
上記流体の計測方法においては、第１の撮像手段により計測される流体の速度と、第２の撮像手段により計測される渦の全体の形状との時間変化の測定開始時点を示す画像を、第１および第２の撮像手段において同時に撮像する工程をさらに備えることが好ましい。
【００２２】
具体的には、上記のように渦の水面近傍の速度と渦の全体形状との両方を、たとえばＰＴＶを用いて同時に計測することにより得られる、渦の水面近傍の画像データの時間変化と、渦の全体形状の画像データの時間変化との、計測開始時刻を揃える工程である。このようにすれば、渦の水面近傍の画像データと渦の全体形状の画像データの時間変化とを比較することにより、同一時刻における渦の水面近傍と渦の全体形状との関連付けがより容易になる。
【００２３】
上記流体の計測方法においては、第２の光は赤色光であることが好ましい。
本願発明の発明者は鋭意研究の結果、渦の全体形状を計測するために照射する光として、波長の長い赤色の光を用いることが適していることを見出した。適度に薄暗い赤色光を渦の全体に照射すれば、水路の全体が過度に明るくなることにより計測データに不要な情報が含まれる可能性を低減することができる。より具体的には、赤色光を用いて渦の全体形状を計測すれば、たとえば第１の撮像手段に赤色光の情報が含まれることをより確実に抑制することができる。このため第１の撮像手段は渦の表面を、第２の撮像手段は渦の全体形状を撮像する精度がさらに向上する。
【００２４】
本発明の一実施例に係る流体計測装置は以下の構成を備えている。
上記流体計測装置は、渦の水面近傍の水平断面における流体の速度を計測するための第１の光源と、第１の光源の発する第１の光を用いて水面近傍を観察する第１の撮像手段と、流体の速度の計測と同時に、渦の全体の形状を計測するための第２の光源と、第２の光源の発する第２の光を用いて渦の全体の形状を観察する第２の撮像手段と、第１の撮像手段と第２の撮像手段とが観察する像を同期するコントローラとを備えている。上記第１の光の波長と第２の光の波長とは異なる。上記第１の光源は渦の水面近傍にシート状に光を照射することが可能であり、第２の光源は渦の全体を照らすように光を照射することが可能である。
【００２５】
上記の流体計測装置を用いれば、上記の計測方法により、渦の水面近傍の水平断面と渦の全体の形状とを同時に、高精度で撮像することが可能となる。特に第１の光源が渦の水面近傍に、たとえば水平方向にシート状に第１の光を照射するため、第１の光源は渦の水面近傍を流通するトレーサ粒子を照射することにより、高精度に渦の水面近傍の速度を測定することが可能となる。また第１の光が渦の水面近傍にたとえば水平方向に照射されるため、渦の形状をより正確に捉えることが可能となる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、流体に発生する渦の水面近傍の水平断面における速度と、渦全体の形状とを同時に、高精度に計測することができる。このため、計測された表面速度から算出される渦の特性を表わすパラメータ（渦度、循環）と渦形状とを関連付けることにより、渦の特性を表わすパラメータ（渦度、循環）から渦全体の形状（特に渦による空気の吸い込みの有無）を推定する、信頼性の高い指標を設定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態に係る、流体計測装置の一例を示す概略図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る水路の、図１とは異なる変形例を示す概略図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る流体の計測方法を説明するフローチャートである。
【図４】流速の計測方法を説明する簡略図である。
【図５】従来から用いられる水力発電所の仕組みを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
まず、本発明の実施の形態の計測装置について説明する。
【００２９】
図１を参照して、本発明の実施の形態に係る計測装置１は、ＰＴＶを利用して、水路を流通する水に発生する渦の水面近傍の水平断面の速度、および渦の全体の形状を計測する、模型実験用の装置である。計測装置１は、レーザ光源２０（第１の光源）と赤色光源３０（第２の光源）、レーザ光ＣＣＤカメラ４０（第１の撮像手段）と赤色光ＣＣＤカメラ５０（第２の撮像手段）とを備えている。
【００３０】
水路１０は、たとえばアクリル板などの、可視光に対して透明な材料により構成される、水力発電所の導水路６４（図５参照）の模型である。すなわち水路１０はダムの導水路と同様の水流や渦を再現する模型である。水路１０はたとえば延在する方向に交差する断面が矩形状であってもよいが、たとえば当該断面が略円形状や楕円形状であってもよい。
【００３１】
水路１０は、図１に示すように延在する方向（図の左上から右下に延びる方向）に関する端部において、他の領域よりも上下方向の幅が大きい構造であってもよい。すなわち水路１０は、延在する方向に関する端部において、他の領域よりも底面が深くなる形状を有していてもよい。あるいは図２を参照して、当該水路１０は、延在する方向（図の左上から右下に延びる方向）に関する端部においても、他の領域と上下方向の幅がほぼ同じである構造であってもよい。すなわち水路１０は、延在する方向に関する端部においても他の領域と底面の深さがほぼ同じであってもよい。
【００３２】
水路１０の内部の一部の領域からは鉛直管１１が延びている。鉛直管１１は、水路１０の内部、特に底面の一部の領域に形成された開口部から延びている。鉛直管１１の延在する方向に交差する断面は、たとえば略円形状であることが好ましいが、これに限らず、たとえば矩形状、馬蹄形状、楕円形状など、任意の断面形状とすることができる。
【００３３】
水路１０の内部に、その延在する方向に沿って流れる水などの流体１２が、当該開口部から鉛直管１１の内部に進入する。このとき水路１０の内部の、特に鉛直管１１の近傍には、流体１２の擾乱に起因する渦１３が発生する。なお流体１２中にはトレーサ粒子が散布されている。トレーサ粒子としては、たとえば粒子の平均粒径が１６０μｍであるナイロン１２が用いられることが好ましい。
【００３４】
レーザ光源２０は、流体１２の、特に渦１３の水面近傍に、たとえば流体の表面に沿う方向に（水平方向のシート状に）光（第１の光）を照射する光源である。渦１３の水面近傍の水平断面にレーザ光源２０の光をたとえば波長が５３２ｎｍの緑色光であるＹＡＧレーザを照射する光源（ダブルパルスレーザ）であることが好ましい。一例として強度が１２０ｍJ/pulseであるダブルパルスレーザを用いることができる。ただしレーザ光源２０が照射する光として、上述した波長のＹＡＧレーザのほかに、５５０ｎｍ以下の波長を有するレーザ光が用いられてもよい。当該レーザ光の波長は、後述するショートパスフィルタの特性に応じて変化する。
【００３５】
上記のような波長を有する第１の光は、特に流体１２の水面近傍を照射し観察するのに適している。このためレーザ光源２０を用いれば、流体１２の水面近傍の水平断面にシート状に光を照射することができる。たとえば流体１２の水平方向の表面に沿う、３０ｃｍ×５０ｃｍのシート状に光を照射し、上記範囲を計測面として流速を計測することができる。
【００３６】
赤色光源３０は、流体１２の、特に渦１３の全体（流体１２の上部から下部まで）に、たとえば波長が６００ｎｍ以上６８０ｎｍ以下の赤色光、特に赤色ＬＥＤ光（第２の光）を照射する光源であることが好ましい。また赤色光源３０が照射する赤色光（赤色ＬＥＤ光）の強度はたとえば４０００ルクス程度と、太陽光に近い光源より弱いことが好ましい。
【００３７】
以上のように、渦１３の水面近傍の水平断面に照射される第１の光と、渦１３の下部を含む全体に照射される第２の光とは、波長が異なることが好ましい。ここで波長が異なるとは、たとえば緑色光と赤色光など、客観的に異なる色に見える程度に波長が異なることをいうものとする。
【００３８】
レーザ光ＣＣＤカメラ４０は、レーザ光源２０の発する第１の光が渦１３に照射されることにより観察される像を画像データとして撮像する装置である。具体的には渦１３の水面近傍の水平断面に照射される第１の光により、渦１３の水面近傍におけるトレーサ粒子の動きを撮像する装置である。
【００３９】
レーザ光ＣＣＤカメラ４０の内部には、図示されないショートパスフィルタ（第１のフィルタ）が装着されている。ショートパスフィルタは、たとえばＹＡＧレーザのような、赤色光に比べて比較的波長の短い光を選択的に透過するフィルタである。ショートパスフィルタを装着することにより、レーザ光ＣＣＤカメラ４０は渦１３の水面近傍のトレーサ粒子を、流体１２全体のトレーサ粒子よりも優先的に捕捉し、撮像することができる。一例としてレーザ光ＣＣＤカメラ４０としては、１６００×１２００pixelの画素数を有するものが用いられる。
【００４０】
赤色光ＣＣＤカメラ５０は、赤色光源３０の発する第２の光が渦１３に照射されることにより観察される像を画像データとして撮像する装置である。具体的には渦１３の全体に照射される第２の光により、渦１３の全体の形状を撮像する装置である。
【００４１】
赤色光ＣＣＤカメラ５０の内部には、図示されないロングパスフィルタ（第２のフィルタ）が装着されている。ロングパスフィルタは、たとえば赤色光のような、緑色光（ＹＡＧレーザ）に比べて比較的波長の長い光を選択的に透過するフィルタである。ロングパスフィルタを装着することにより、赤色光ＣＣＤカメラ５０は渦１３の全体の形状を、渦１３の水面近傍のトレーサ粒子よりも優先的に捕捉し、撮像することができる。
【００４２】
なお、レーザ光ＣＣＤカメラ４０にはコントローラ４１が接続されており、赤色光ＣＣＤカメラ５０にはコントローラ５１が接続されている。さらにコントローラ４１とコントローラ５１とはコントローラ５２により互いに接続されている。
【００４３】
コントローラ４１はレーザ光ＣＣＤカメラ４０が観察する像のデータを制御する。コントローラ５１は赤外光ＣＣＤカメラ５０が観察する像のデータを制御する。そして両者の像のデータはコントローラ５２によりタイミングが合わせられる。つまりこれらのコントローラにより、レーザ光ＣＣＤカメラ４０および赤外光ＣＣＤカメラ５０が観察する像の時間変化を同期することができる。
【００４４】
以上に示す計測装置１において、水路１０のうち鉛直管１１が形成され、流体１２に渦１３が形成される近傍の領域は、光源や撮像手段も含めて、暗室２の中に設置されることが好ましい。ただし水路１０のうち、内部の流体に渦が発生する可能性の低い領域（たとえば鉛直管１１から離れた領域）は暗室２の中に設置されなくてもよい。
【００４５】
次に、以上に示す計測装置１を用いた計測方法について、図３のフローチャートを参照しながら説明する。
【００４６】
まず渦を発生する工程（Ｓ１０）がなされる。具体的には、まず図１の計測装置１が準備され、水路１０の内部に、トレーサ粒子が散布された流体１２が流通される。たとえば図１の水路１０を用いて、流体１２を、図の左上側から右下側へ向けて流通する。このとき流体１２が水路１０の下流端部近傍に達すると、当該流体１２の一部は鉛直管１１に吸い込まれ、鉛直管１１上には流れの渦１３が発生する。
【００４７】
次に測定開始の信号が送られる（Ｓ２０）。具体的には、レーザ光ＣＣＤカメラ４０と赤外光ＣＣＤカメラ５０とが計測するデータの時間軸を揃える工程である。
【００４８】
渦１３の発生する領域およびその周辺の領域については、流体１２の水面近傍の水平断面にレーザ光源２０からの光がシート状に照射され、渦１３の上部から下部まで全体に対して赤色光源３０からの光が照射される。ただし必要に応じて、水平断面以外の断面（たとえば鉛直方向の断面）にシート状にレーザ光源２０からの光が照射されてもよい。この状態で、ショートパスフィルタが装着されたレーザ光ＣＣＤカメラ４０は主にレーザ光源２０からの第１の光により照射された像を撮像する。ロングパスフィルタが装着された赤外光ＣＣＤカメラ５０は主に赤色光源３０からの第２の光により照射された像を撮像する。
【００４９】
このとき、レーザ光ＣＣＤカメラ４０が捕捉するデータと、赤外光ＣＣＤカメラ５０が捕捉するデータとは、それぞれ流速や渦の形状の時間変化を示すものである。そこでこれらのデータの測定開始時点を揃えることにより、同一時刻におけるレーザ光ＣＣＤカメラ４０の撮像データと赤外光ＣＣＤカメラ５０の撮像データとを比較したり同期することができる。このようにすれば、同一時刻における渦の水面近傍の水平断面における流速と、渦の全体の形状とが容易に関連付けられる。
【００５０】
そのためにはレーザ光ＣＣＤカメラ４０および赤外光ＣＣＤカメラ５０が図１に示す任意の同期用物体８（たとえば物差し）を撮像している状態から、当該同期用物体８を別の場所に瞬時に移動する。同期用物体８を移動する瞬間において、レーザ光ＣＣＤカメラ４０および赤外光ＣＣＤカメラ５０の検出する像が変化する。この像が変化した瞬間を基準の時刻（測定開始時点）として、以後、流体１２の水面近傍の速度や渦１３の形状の計測を行なうことにより、得られるデータの時間軸を揃えた上で比較することが可能となる。
【００５１】
次に水面の流速を計測する工程（Ｓ３０）および全体の形状を計測する工程（Ｓ３１）とが同時になされる。実際には測定開始の信号が送られる（Ｓ２０）における同期用物体８の移動がなされる前から、レーザ光ＣＣＤカメラ４０は工程（Ｓ３０）と同様に流体１２の水面近傍の速度を計測しており、赤外光ＣＣＤカメラ５０は工程（Ｓ３１）と同様に渦１３の全体の形状を計測している。しかしここでは工程（Ｓ３０）および工程（Ｓ３１）は、測定開始時点以後の計測をいうものとする。
【００５２】
工程（Ｓ３０）と工程（Ｓ３１）とが同時になされるため、レーザ光源２０の第１の光と、赤色光源３０の第２の光とは同時に放射される。しかし赤色光源３０の放つ第２の光は、暗室２全体の照度を過度に上げない程度の明るさ、具体的には４０００ルクス程度であることが好ましい。
【００５３】
渦１３の水面近傍の水平断面における流速など、流体１２の速度は、レーザ光源２０の放つ第１の光に照射される、渦１３の水面近傍のトレーサ粒子の動きが、レーザ光ＣＣＤカメラ４０に撮像されることにより求められる。
【００５４】
具体的には工程（Ｓ３０）で求める流体１２の表面速度は、ＰＴＶ（Particle Tracking Velocimetry）と呼ばれる技術を用いて計測される。たとえば時刻ｔ0における渦１３（流体１２）の水面近傍のトレーサ粒子９が、レーザ光ＣＣＤカメラ４０により撮像された画像が、図４の左側に示す状態であるとする。その後時間Δｔが経過した後、時刻ｔ1においては図４の右側に示す位置までΔｘだけ移動したとする。このとき、
【００５５】
【数１】
2012098112.tif 000003
【００５６】
であるから、Δｔの間のトレーサ粒子９の平均速度ｖは、
【００５７】
【数２】
2012098112.tif 000004
【００５８】
で表わされる。このような演算がコントローラ４１の内部でなされることにより、流速が求められる。
【００５９】
また工程（Ｓ３１）において、渦１３の全体の形状は、赤色光源３０の放つ第２の光に照射される、渦１３の全体像が、赤外光ＣＣＤカメラ５０に撮像されることにより求められる。
【００６０】
ここで渦１３は、たとえば空気などの気体を吸い込むことにより、先端が尖った形状になるなど変形する。このため渦１３の全体の形状を撮像すれば、鉛直管１１への空気の吸い込みの有無が確認できる。
【００６１】
次に流速と形状とを関連付ける工程（Ｓ４０）がなされる。ここでは工程（Ｓ３０）で計測される流体１２の水面近傍の速度と、工程（Ｓ３１）で計測される渦１３の全体の形状との関係が導出される。具体的には、レーザ光ＣＣＤカメラ４０に接続されるコントローラ４１により、流速の時間変化がデータ処理される。また赤外光ＣＣＤカメラ５０に接続されるコントローラ５１により、渦の全体の形状がデータ処理される。コントローラ４１、５１に接続されるコントローラ５２により、水面近傍の流速のデータと渦全体の形状のデータとの関連付けがなされる。なおここでは工程（Ｓ２０）による測定開始時点の同期の結果も、データの同期に用いられる。
【００６２】
以上により、模型の計測装置１を用いた、渦の水面近傍の水平断面における流速と渦の全体の形状との関連付けのデータを求めることができる。
【００６３】
次に、本実施の形態の作用効果について説明する。
以上のように、本実施の形態の計測装置および計測方法を用いれば、短波長光を用いた流体の水面近傍の速度の計測と、長波長光を用いた渦の全体の形状の計測とが同時になされる。これは短波長光を選択的に透過する第１のフィルタが装着されたレーザ光ＣＣＤカメラ４０と、長波長光を選択的に透過する第２のフィルタが装着された赤外光ＣＣＤカメラ５０とが撮像する像が異なることによる。レーザ光ＣＣＤカメラ４０は赤外光に照射されるトレーサ粒子による渦の全体の形状の情報をほとんど検出せず、赤外光ＣＣＤカメラ５０はレーザ光に照射されるトレーサ粒子による渦の水面近傍の水平断面における速度の情報をほとんど検出しない。
【００６４】
このためこれらを同時に計測しても、検出されるデータに不要なデータを含むなどの誤動作が起こる可能性が低減される。ここで光が照射される領域を暗室２内に設置したり、赤色光の強度を比較的弱くしたりすることにより、赤色光の照射データが誤ってレーザ光ＣＣＤカメラ４０に検出されることを抑制する効果がより高められる。このため高精度に、信頼度の高いデータを得ることができる。
【００６５】
以上のように、同時に計測された流体速度（渦の特性を表わすパラメータである渦度や循環）と渦の全体の形状とのデータを関連付ければ、流体速度のみから渦による空気の吸い込みの有無を確認する指標が与えられる。この指標は以上の模型装置と同様の設計仕様を有する実際の導水路６４（図１参照）にて利用するに値する信頼性を有する。たとえば実際の水力発電所の導水路６４を流れる水の表面速度を計測すれば、当該水流に形成された渦によって空気を吸い込むか否かを検証することが可能となる。
【００６６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、渦が発生する模型装置において特に有利に適用されうる。
【符号の説明】
【００６８】
１  計測装置、２  暗室、８  同期用物体、９  トレーサ粒子、１０  水路、１１  鉛直管、１２  流体、１３  渦、２０  レーザ光源、３０  赤色光源、４０  レーザ光ＣＣＤカメラ、４１，５１，５２  コントローラ、５０  赤色光ＣＣＤカメラ、５９  スクリーン、６０  取水構造体、６１  ダム、６２  水車、６３  発電機、６４  導水路、６５  放水路。
【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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