卒業論文要旨
流れ場内における微小液滴蒸発挙動の定常的観測を目的としたシステム開発

システム工学群
材料革新サスティナブルテクノロジー研究室
1. 背景1210063

草下 圭太

4. 研究内容

液滴は身近な存在でありながら,その挙動は特異な性質を示す

本研究では以下の項目について開発,実験等を行った.(ⅰ)は,噴流体である.液滴の中でも私たちが目視で認識することが難しい霧流を定常的に観測するために主に流路装置等の改良を行った.

マイクロオーダー程度の液滴は“微小液滴“と呼称され,加湿器や実験は 100℃～200℃の温度で,25 mm 間隔で噴霧流を観測していインクジェットプリンター,エンジンの燃料噴霧など,身近に利用る.その他の研究内容については卒業論文にて詳しく述べる.

されている.微小液滴は,雨粒のようなミリオーダー程度の液滴と(ⅰ) 微小液滴の定常的な観測に必要な観測装置群の改良

比べ,外乱などによって挙動が大きく変化することがあり,様々な(ⅱ) 微小液滴の定常的な計測のためのプログラム開発

環境,分野での微小液滴挙動に関する研究が盛んに行われている.
これらは,今日の工業製品の小型化,高性能化に寄与しており,私4.1. 先行研究の計測プログラム

たちが目視では観測することができないミクロな観点での研究開先行研究では,MATLAB による液滴径計測プログラムが開発さ発が進められたことが要因の一つでもある.今後の技術開発におれた.しかしながら,このプログラムでは液滴径の誤認識を発生さいても,よりミクロな分野での詳細の解明が鍵を握っていると考せていた.主な原因として,光源装置による照度が不均一な点や撮えている.

影装置内のゴミの認識が考えられた. 連続撮影した 2 枚の画像の照度分布図を図 2,液滴径認識画像を図 3 に示す.光源装置は雷発

2. ライデンフロスト現象
ライデンフロスト現象とは,ある液滴がその沸点よりも遥かに高温な固体表面に接触した際に形成される薄い蒸気膜が熱伝達を光で発光しているため,発光位置が毎回変わり,照度の差が発生していた.またゴミを除去するため 4 µm 以下の領域は削除しており,小さな液滴は観測できずにいた.

阻害することで高温壁面上に浮遊し,結果として液滴の蒸発時間が大幅に上昇する現象である.この現象は 1756 年に J.G.Leidenfrost
によって報告(1)され,現在では様々な研究者がその挙動を追っている.ライデンフロスト現象の模式図を図 1 に示す.

Figure2. Illuminance distribution diagram

Figure1. Leidenfrost diagram
3. 研究目的
B.S.Gottfried らの研究(2)において,ライデンフロスト状態における蒸発時間を予測するモデル式が提唱された.しかしながら,このFigure3. Droplet diameter recognition diagram
4.2. 液滴径計測プログラムの開発

モデル式はミリオーダーの液滴で提唱されており,マイクロオー液滴径の定常的な計測を実現するために新たな計測プログラダーである微小液滴に適用可能かは明らかになっていない.このムの開発を行った.開発環境は Python を選択した.理由とし点について先行研究では,微小液滴の蒸発挙動に関して研究が重て,Python はオープンソースソフトウェアであり,拡張性の面でねられてきた.(3)主な研究内容として,液滴の蒸発挙動観測に必要

MATLAB より優れているからである.また OpenCV を用いた画像な装置群と計測プログラムの開発が行われたが,定常的な観測に解析を利用することを考慮した.

はまだ問題が残された.そのため,本研究では特殊な装置群の改良先行研究で明らかになったゴミの誤認識を改善するために,背と計測プログラムの開発を行い,従来の問題を解消し,微小液滴の景差分法を利用した.背景差分法は,背景画像を予め用意しておき,定常的な観測を実現し,微小液滴蒸発挙動の解明を目指した.

液滴が写った前景画像との差分を取ることで,前景領域のみの画像を取得する手法である.これにより,背景であるゴミが除去でき背景差分後に正確な液滴径計測を実現するためノイズ除去とし液滴径の誤認識を改善できる.光源装置の照度が不均一である点て 2 µm 以下の領域の削除を行ったが,噴霧装置で発生する液滴サについては,ガンマ補正を応用した.ガンマ値は明るさの指標であイズは理論値が 2 µm であるため問題ない.

り,各画素ごとにガンマ値を指定の値に変更することで,画像の照計測結果の一例として 200℃,100 mm,150 mm,200 mm,250 mm

度差を補正し一定化する.本プログラムではガンマ値を 0.5 に指定の液滴分布ヒストグラムと各ザウター平均粒径を図 7 に示す.

した.液滴径の取得は,ハフ変換を用いて円のオブジェクトを検出

ザウター平均粒径,粒径分布より,下流域ほど液滴径は小さくなる

し,液滴直径を計測,算出した.液滴の蒸発では,液滴の表面積と体傾向があることが分かった.これにより液滴が蒸発しながら流路積の関係が重要であるため,それを考慮できるザウター平均粒径内を流れていることが分かる.また,200℃以下の条件ではザウタをExcel にて算出した.算出する際に背景差分法でも完全に除去でー平均粒径は下流域ほど大きくなる傾向があった. 150℃では下流きなかったゴミを省くために,検出円の中心座標が一致する円は域のザウター平均粒径は 9.4 µm であり,流入口地点の液滴のザウ除去した. 上述した処理を行うプログラムの流れを図 4 に示す.

ター平均粒径である 6.71 µm の液滴 2 個以上の体積に相当した.これは流れ場内の温度が低いため,蒸発せず,液滴表面に蒸気膜が形成しにくいため,液滴同士が流れ場内で合体し,液滴径が大きく計測されたのではないかと考えられる.また,どの温度域でも 11 µm付近に多くの液滴が計測された.これは撮影装置の被写界深度が浅いことにより,大きくボケた不鮮明な液滴を計測したためである.流入口地点の液滴をレーザー回折を用いて測定する Spraytec で計測したザウター平均粒径は 6.71 µm であり、本プログラムの計測結果は 7.67 μm であった.これもボケた液滴を計測していることが原因と考えられる.

Figure4. Program flow
5. 結果・考察本プログラムにより,画像の照度の一定化に成功した.補正前,補正後の画像,またそれぞれの MATLAB による照度分布図を図 5に示す.これにより,照度差によって発生していた液滴の誤認識を改善できた.

Figure7 Particle size distribution
6. 結言
本研究では,微小液滴の蒸発挙動を定常的に観測,計測するために必要な観測装置,計測プログラムを開発した.液滴径のみを正確に認識するために,背景差分法を用いたゴミの大幅な除去,ガンマ補正を応用した照度補正により照度の一定化を実現した. また液滴サイズの制限も除去したため,定常的で正確な液滴径計測が可
Figure5. Corrected illuminance distribution diagram

能となった.しかし,被写界深度の問題により,ボケた不鮮明な液滴

また,背景差分法によって多くのゴミの除去ができ,液滴径のみも同時に計測しているため,正確なザウター平均粒径の算出は困の計測に成功した.背景画像,前景画像,背景差分法によって出力さ難であることが判明した.今後は二値化の閾値調整などを厳密にれた画像を図 6 に示す.

行い,液滴のボケ量に左右されない計測プログラムの開発を目指し,最終目標である微小液滴の蒸発挙動の解明に取り組みたい.
文献(1) J.G.Leidenfrost,“De Aquae Communis Nonnullis Qualitatibus
Tractatus“, (A Tract about Some Qualitites of Common Water),translation of portions to appear inIntern J Heat Mass Transfer (1756)(2) B.S.Gottfried，K.J.Bell，“FILM BOILING OF SPHEROIDALDROPLETS”，I & EC Fundamentals 5，561 (1966)(3) 宮地啓太, “流れ場内の微小液滴挙動の観測とそのシステム開発”,高知工科大学修士論文(2020)

Figure6. background difference processing