J. Plasma Fusion Res. Vol.91, No.10 (2015)６６１‐６６４

小特集 プラズマアクチュエータの動向

４．流体計測法
4. Flow Measurement Technique隆１），本 阿 弥 眞 治２），藤 井 孝 藏２，３），関 本 諭 志３），飯 田 明 由４）

松野MATSUNO Takashi１）, HONAMI Shinji２）, FUJII Kozo２，３）, SEKIMOTO Satoshi３）and IIDA Akiyoshi４）１）

鳥取大学，２）東京理科大学，３）宇宙航空研究開発機構，４）豊橋技術科学大学（原稿受付：２０１
５年７月１０日）

プラズマアクチュエータが適用される流れ場の計測では，一般の流体計測と異なり，放電によるイオンの存在や電磁干渉（EMI）が原因となり計測に利用出来る手法が制限される．本章では，プラズマアクチュエータ適用時の流体計測法の基本技術の代表例として，PIV・シュリーレン法および熱線風速計による速度場計測について，計測事例とともに紹介する．
Keywords:
plasma actuator, experimental method, particle image velocimetry, schlieren visualization, hot-wire anemometry

４．
１ はじめにち，速度の 2D2C を計測する．短い間隔のダブルパルスの本章ではプラズマアクチュエータによる流体制御の研究

レーザー光学系と画素数が多いCCDカメラ，そして移動距において用いられる流体計測法について紹介する．流体計

離を演算する高速計算機が主要構成要素である．各機器の測法の一般的な概要については，読者も既に様々な知識・コストパーフォーマンスが向上し，研究機関での利用が進経験をおもちと思われるのでここでは割愛する．プラズマ

み，PIV は速度計測法の中で代表的な位置を占め，多くのアクチュエータのような流体制御デバイスが適用される流解説がある［１‐３］．

れ場の計測では，一般の流体計測と異なり，放電によるイ

プラズマアクチュエータのデバイス周りの流れ計測に

オン の 存 在 や 電 磁 干 渉（EMI，electromagnetic interfer-

PIV が使用されるのは，プラズマ発生に基づく電場の影響ence）が原因となり，計測に利用できる手法が制限されるを受け難いことが理由の一つである．デバイス廻りでは電点が問題となる．これに対し，広く行われているのが非接気絶縁性材料のガラス製ピトー管を使用する等の対策を講

触の画像を用いた計測法である．また，EMI 等の電気的障じ，トレーサー粒子はクーロン力を受け，粒子軌道が影響害に対して，既存の計測手法を改良・発展させることで流を受けるので，PIV 計測では粒子に及ぼす電場の影響が検体計測を可能にした例もある．

討されている［４］．

本章では，プラズマアクチュエータ適用時の流体計測法

PIV システムはこの３０年間，大きく分けて二つの方向にの基本技術を事例とともに紹介する．ここでは，非接触の発展した．一つは，空間分解能，もう一方は，時間分解能計測法の代表として，流体制御デバイスのマイクロ流れにの向上であ る．前者では，CCD カメラの画素数が増加

対する粒子画像流速測定法（PIV，Particle Image Veloci-し，さらに，ズームレンズを組み込んだ光学系により単位metry）に関する研究，および，流体の密度変化を利用した物理空間当りの画素数が増加し，3D3C をめざしたステレ

光学的可視化法の一つであるシュリーレン法による噴流のオ方式が利用できるようになった［５‐７］（図１参照）．後者

可視化の例を示す．また，直接的な流体速度計測の代表とでは，レーザー光源とCCDカメラの高速化による時間分解して，熱線流速計を用いた放電部近傍の流体の速度変動計能の向上により，乱流スケールの渦構造を含めた解析が可測について紹介する．

能となってきた．
（２）計測事例

４．
２ PIV

２００６年６月に開催された AIAA 流体力学講演会では，（１）原理と特徴

Actuator Induced Flow Physics と題するセッションが初め

PIV とは，トレーサー粒子が流れに追随すると仮定し，て設けられ，デバイス周りの流れに注意が向けられ，そのカメラにより流体中の粒子を時間間隔 !!で撮影し，２枚後の各種アクチュエータデバイスの性能向上に大きく貢献の粒子画像から，粒子の移動距離を求め，時間間隔 !!からした．

速度に換算して，流体の速度を計測する方法である．基本

誘起流れの方向が主流の方向と一致する場合，流れは２PIV システムでは，平面内（2D）の速度２成分（2C），即次元であり，2D2C の PIVによる計測例が多い．時間分解能

Tottori University, TOTTORI 680-8552, Japancorresponding author’s e-mail: matsuno@mech.tottori-u.ac.jp

６６１!2015 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.10 October 2015

イフエッジ側に逸れた光が遮断されるため，その先のカメラで撮像される画像に明暗が生じ，流体の密度場の可視化が可能となる．シュリーレン法の詳細については文献［１３］を参照されたい．
シュリーレン法は密度勾配が大きいほど明確な可視化が可能であるため，高速流や燃焼等への適用が多く，低速流への適用は少ない．しかし，プラズマ放電による加熱により流体に密度変化が生じ，それらが誘起流速により移流す
図１

るため，プラズマアクチュエータの誘起流速が比較的遅い

ステレオスキャニング PIV システム（3D3C 計測）．にも関わらず可視化が可能となる［１４］．の向上もみられ，Gurney Flap の剥離制御にフレームレー

この方式の利点は PIV のようなトレーサー粒子の混入を

ト２kHz の Time Resolved
（TR）
PIV
［８］
，さらに 5 kHz の結必要としない点，また粒子の追従では示されない衝撃波を果もあり［９］，今後，TR PIV は増える傾向にある．

捉えられる点である．一方で欠点としてプラズマ領域近辺

デバイス周りの流れをステレオ PIV により計測する例はを通過しない流体については密度変化が少ないためにその少ない．アクチュエータによる誘起流れの方向が主流と同流れを捉えられない点が挙げられる．

じであり，ステレオ計測が必要ないからである．しかし，（２）可視化事例

デバイス電極を主流に平行に配置した場合や渦発生器のよ（a）三電極 PA 誘起流れ場の可視化と速度場解析

うに誘起流れの方向が主流に対して傾斜している場合，デ

図３はシュリーレン法による可視化結果であり［１５］，プバイスの性能評価には主流と垂直な面内の２次流れベクト

ラズマアクチュエータ電極端から流れが誘起されることがルを求めて，流れ方向の軸廻りの渦度を評価関数とするのわかる．さらにこの画像に対し PIV と同様に画像相関を施で，レーザーシートを流れ方向に垂直に配置する光学系がし（Schlieren Image Velocimetry，SIV），図４の通り流速必要となる．このような配置で渦発生器のように主流方向分布を得ることに成功している．の軸廻りの縦渦を計測した例がみられる［１０］．

（b）ナノ秒パルスプラズマアクチュエータ周りの可視化

図１に示すように２台の CCD カメラで撮影することに

図５は，プラズマアクチュエータの印加電圧に正弦波のより，面外速度成分（Z 方向成分）が加わり 3C の PIV 計測

代わりに立ち上がり１００ナノ秒程度の高電圧パルスを印加となり，さらに，レーザーシート光とカメラを面外方向にした際の誘起流れ場である［１６］．プラズマ放電領域である

スキャンすることにより測定流路の 3D3C 計測とな る．
シート光とカメラの配置に関しては，流れ方向に関して２台のカメラを配置し，シート光は流れの軸に垂直な面（YZ断面）とする場合がある［１１］．この他のステレオ PIV の計
測では，変動速度の相関を計測し，デバイス下流の乱流レイノルズ応力に及ぼすモジュール波形の影響を示した例がある［１２］．
図２

１９６０年代半ばに熱線流速計が一般の利用に供され，８０年高速度シュリーレン法の装置構成．

代にレーザードップラ流速計と続いた．PIV が誕生してから３０年の歳月が経過して，成熟した計測技術となる状況のもとで，PIV は，プラズマアクチュエータ周りの流れの計測に広く利用され，デバイスの各種パラメータの評価に貢献している．

（本阿弥眞治）４．
３ シュリーレン法による噴流可視化（１）原理と特徴
図３

シュリーレン（Schlieren）法とは，媒質の密度変化によシュリーレン法による誘起流れ場の可視化．

る光の屈折率変化を利用し画像の明暗により流れの密度場を可視化する手法である．シュリーレン法の代表的な装置構成を図２に示す．まず点光源からの光を凹面鏡（もしくは凸レンズ）により平行光線とし，可視化対象は平行光線中に設置する．その後凹面鏡により平行光線を再度集光す
るが，その際ナイフエッジを片側からやや焦点に被るように設置する．対象により流体の密度変化が発生すると，光の屈折率が変わり対象付近を通過する平行光線の進路が変

図４

わり，集光される際の焦点位置も変化する．この変化でナ
６６２

SIV により得られた多電極 PA 誘起流れの速度場．

Special Topic Article

4. Flow Measurement Technique

図６T. Matsuno et al.

熱線流速計のセンサ部の写真とフィードバック回路．

による放熱量が変化するため，正しい計測ができなくな
図５

る．温度変化を伴う場合は，文献［２０］に示すように気流温PA の生成する衝撃波の可視化．

度の補正が必要となる．このため，熱線流速計を PA の利電極端から，図３のような壁面流れの生成と同時に発生す用環境化で使用する場合，プラズマによる発熱の影響を考る半円状の衝撃波を捉えている．この衝撃波はプラズマ放慮する必要がある．プラズマの発熱により周囲温度が上昇

電のナノ秒オーダーによる急激な加熱により発生する．

するような場合には温度計測を同時に行い，温度補正を行（松野隆，藤井孝藏，関本諭志）うことが一般的である．
著者らの実験環境（電圧 4 kV，PA の励起速度 1 m/s

４．
４ 熱線流速計程度）では，無風状態で PA を駆動した場合の温度上昇は

熱線流速計は流体計測，特に乱流計測に広く利用されて0.2 度程度であり，熱線に及ぼす影響は小さく，PA の電極いる計測器である［１７，１８］．熱線流速計の特徴は時間分解付近の流速分布を熱線と PIV により計測した結果，両者の能，空間分解能に優れることであり，乱流の速度変動を精結果はほぼ等しいことを確認した．また，気流速度 10 m/s

度よく計測することが可能である．４．
４節では熱線流速計

以上の風洞実験では温度の影響は無視できるほど小さいこの原理，プラズマアクチュエータ（PA）の利用環境におけとを確認した．

る熱線流速計の取り扱いの注意点と実際の測定例を示す．

熱線流速計のフィードバック回路は共振系となってお熱線流速計のセンサは図６に示すように先端が尖った２り，実際に使用する際は，ブリッジ回路の出力アンプに非本の電極（プロング）に直径 1 μm〜5 μm，長さ 1 mm 程度

平衡電圧を加えて，応答特性の調整を行った．熱線流速計の金属細線（タングステン線または白金線）を取り付けたの回路自体はもともと共振系であり，発振しやすい特性がものである．このセンサはブリッジ回路の一端に接続されあるため，高周波数のノイズに対する対策が十分でないとており，ブリッジ回路に加えられた電流により発熱する．

回路が発振する可能性がある．PA を駆動した環境で熱線無風状態でこのブリッジが平衡状態になるように回路を調流速計による計測を行う際の問題点として，PA による放整し，センサを気流に挿入すると，センサ部が気流により電及び高電圧電源のノイズの問題がある．また，PAによる冷却される．金属細線の抵抗 $$は温度に依存するため，セアーク放電が熱線を介して回路に加わると，熱線回路及びンサが冷却されると抵抗値が変化し，ブリッジ回路の平衡それに接続された PC 等を壊す可能性がある．高周波数帯がくずれ，ブリッジ回路の出力端子に電位差が生じる．こ域のノイズをカットするフィルターを入れ，熱線流速計との電位差をオペアンプで増幅し，後段のトランジスタに接センサの間にバリスタを入れて回路を保護することによ

続することにより，ブリッジの印加電圧を制御することがり，PA の利用環境化でも安全に使える回路を作成した．

できる．気流により金属細線が冷却されると印加電圧が大（PA 用熱線回路の詳細については http://aero.me.tut.ac.jp

きくなり，金属細線の温度が元の状態に戻るまで，印加電/PA よりダウンロードが可能）圧が変化する．このような熱線流速計を定温度型熱線流速

図７に PA 用の対策をしていない回路と PA 用の対策を計と呼ぶ．このシステムでは，気流の速度が変化するとセした回路での計測事例を示す．PA 用の保護回路を取り付ンサの温度が一定となるようにフィードバック回路が応答けることで正しく計測できることがわかる．熱線流速計へするため，出力電圧が速度変動に追従して変化するため，のノイズは PA の駆動周波数に依存するため，熱線流速計高い時間分解能を有する．
熱線流速計の出力電圧と速度の関係は金属細線周りの熱伝達とジュール発熱の関係から求めることができ，一般に!!
&%"%!###"!"#$&（１）と表すことができる［１９］．ここで定数 &は実験定数であり0.45〜0.5 程 度 の 値 で あ る．熱 線 流 速 計 を 使 用 す る 場 合は，熱線回路のゲイン !#とオフセット "#を校正実験により求め，流速と電圧の関係をあらかじめ調べておく必要がある．
図７

熱線流速計の計測では気流の温度が変化すると，熱伝達６６３

ノイズ対策の有無による出力電圧の違い．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.91, No.10 October 2015

を用いる場合，PA の駆動周波数以下の速度変動しか測れないことに注意する必要がある．
図８に平板翼上面の流れ場の速度分布を熱線流速計で測定した結果の一例を示す．PAを駆動していない場合は，流れが前縁ではく離するのに対して，PA を駆動するとはく離が抑制される．この実験では，熱線は PA の下流 3 mmの位置に設置されており，PA 近傍での計測が正しく行えることがわかる．このほかにキャビティの上流に縦渦を発生させるための PA を複数設置し，境界層の流れと音を抑制する実験を行っているが，熱線流速計を使用して，制御

図８

平板翼周りの速度分布に及ぼす PA の影響．

前後の流れの変化と音の関係などを調べられることを確認済みであり，熱線流速計を用いることで PA 動作環境下で［２］C. Tropea et al.(ed), Handbook of Experimental Fluid Mechanics, 287 (Springer, 2007).
［３］J. Westerweel et al., Ann Rev Fluid Mech., 45, 409 (2013).
［４］M. Hamdi et al., Exp. Fluids, 55, 1702 (2014).
［５］T. Hori and J. Sakakibara, Meas. Sci. Tech., 15, 1067 (2004).
［６］C.W.H. van Doorne, Exp. Fluids, 42, 259 (2007).
［７］T. Iai et al., J. Fluid Sci. Technol. 5, 35 (2010).
［８］L-H Feng et al., Exp. Fluids, 52, 1533 (2012).
［９］N. Benard et al., AIAA paper 2008-4202 (2008).
［１０］T.N. Jukes & K-S.Choi, Exp. Fluids, 52, 329 (2012).
［１１］A.Fouras et al., Exp. Fluids, 45, 333 (2015).
［１２］P. Sujar-Garrido et al., Exp. Fluids, 56, 70 (2015).
［１３］G.S. Settles, Schlieren and Shadowgraph Techniques(Springer, Berlin, 2001), 376p.
［１４］T. Matsuno et al., J. Fluid Sci. Technol. 9, JFST0048 (2014).
［１５］T. Matsuno et al., AIAA paper 2012-3238 (2012).
［１６］S. Sekimoto et al., AIAA paper 2014-0767 (2014).
［１７］J.O. Hinze, Turbulence (McGraw-Hill, 1975).
［１８］H.H. Bruun, Hot wire anemometry (Oxford Univ. Press,1995).
［１９］L.V. King, Phil. Trans. Roy. Soc. London, 214A, 373 (1914).
［２０］蒔田秀治他：温度流速計の高精度化第１報，日本機械学会論文集 B 編，58-545, 90 (1992).

も流れ速度変動の計測を行うことが可能とわかった．
（飯田明由）

４．
５ おわりに
本章ではプラズマアクチュエータによる流体制御研究における代表的な流体計測法について事例とともに紹介した．上述の通り，プラズマアクチュエータの研究においては画像計測・光学計測による非接触な計測手法がアドバンテージを持っている．一方で熱線流速計のような，原理的に放電・プラズマに対し脆弱な手法においても，障害を受けない手法・対策の開発が行われ，よい結果を得ている．
その他，一般的な流体計測法についても，多くの研究者が工夫を凝らし適用可能領域を広げているが，流体制御を専門とする研究者にとってはプラズマの特性や計測手法については未知な点が多い．読者の方でよい計測手法についてご示唆いただける方がいらっしゃればぜひご教授いただ
きたい．

参考文献
［１］R.J. Adrian, Exp. Fluids, 39, 159 (2005).

６６４