― 13 ―流れ可視化装置の製作
渡部

英昭

Making of a smokewire device for the flow visualization
Hideaki WATANABE（平成28年11月26日受理）
Making and performance evaluations of a ﬂow visualization device with a plated smokewire
and carried out visualization experiments of the ﬂow pattern for the wake of a horizontal andnon-heated circular cylinder. Velocity of the main flow U0＝0.8m/s, diameter of the circularcylinder D＝13mm and the Reynolds number of this ﬂow ﬁeld is nearly 700. Using the present
device to visualize this ﬂow ﬁeld, it appears that ① suitable ﬂow visualization experiments arecarried out by using this deveice, ② there is no substantial contamination eﬀects for the ﬂow
pattern by inserting this device into the ﬂow ﬁeld.

1.

緒言

我々の身の周りではあらゆる瞬間に「流れ」が存在し，その中では様々な流体現象が生じている。そして人類はこれまで，これらの流体現象を日々の生活や科学の発達に利用してきた。しかし，多くの場合，我々はこれらの流れの現象の存在を感じることはできても肉眼で確認することはできない。その理由は，対象とする流体が気体である場合，気体そのものを見ることができないためである。数多の先人が，種々の方法を使って流れ現象を肉眼で知ろうと努力してきた。例えば定温度型熱線流速計や各種風速計の開発は，流れ場内での高精度な平均量や統計量の測定データを提供することにより，肉眼で確認し得ない多くの流れ現象の解析を可能にした。しかし，未知なる流体現象の存在を知りたい場合は，これらの方法と言えども必ずしも万能ではない。一方，
もし流れの形を肉眼で確認することができれば，直感的に流れ現象を理解できるだけでなく，その中から新たな現象の発見も容易である。ここに流れの可視化の価値がある。これまで煙やドライアイス，気泡，微粒子のトレーサー，油膜，物体表面にタフトと呼ばれる毛糸や絹糸を短く切って貼り付けたもの，等を用いて各種の可視化法が実用化され，流体力学の進歩に貢献してきたが，それぞれの手法には長短がある（1）。本研究では，これらのうち，スモークワイヤーを用いた可視化装置を製作し，実際に流秋田高専研究紀要第52号

れの可視化を行うことを目的とする。
2.

スモークワイヤ可視化装置の製作

2.1 原理スモークワイヤー法は，極めて簡単な原理を用いた可視化法であり，気流中にニクロム線等の金属細線を張り，油等の適当な発煙剤を表面に塗布して電流を流すと，ジュール熱によって白煙を発生させることができる（1）。これを研究対象とする流れ場内に流せば，煙は流れに沿って下流方向へ移動し，流れ方向を X 軸，鉛直方向を Y 軸とした場合の X － Y 平
面内で流脈線を形成し，カメラ等を用いて静止画像化すれば，瞬間的な流れ現象を肉眼で確認することができる。
2.2 スモークワイヤー法の長所と短所
スモークワイヤー法の長所と短所は以下の通りである（1)。
長所
1．高圧電源などの特別な装置が不要であり，手軽である。
2．気流中に張られる金属細線が非常に細いため，ほとんど流れを乱すことがない。
3．流脈線を形成できる。
4．非定常流れにも使用することができる。
5．発熱量のうちのほとんどが油の蒸発に使われ，

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渡部英昭

気流に伝達される熱量はわずかなので，流れの温度上昇をほとんど生じない。
短所
1．高速流れには向かず上限は30m/s 程度である。
2．煙は空気より軽いため上昇速度（5 cm/s 程度）が生じ，あまりに低い速度の流れには使えない。
3．連続的に煙を発生することができない。
2.2 スモークワイヤー装置の設計設計したスモークワイヤー装置を図 1 に示す。流れ場内に金属細線を張る場合，線の剛性が小さいため自立できず，よって線を支持するフレームが必要となる。今回設計した装置では，スパン方向幅380mm，高さ395mm，流れ方向の幅は台座部分を60mm，側板部分を30mm とした。台座部分の幅を大きくしたのは，風洞測定胴（一辺40cm の正方形断面）への設置時に安定性を増すためである。台座および天板には厚さ 1 mm の鉄板を使用し，左右の側板は厚さ 5 mm のアクリル板とした。側板をアクリル材にした理由は，本装置の場合，天板を正電極，台座を負電極（グラウンド）としても機能させるため，両者間が導通が生じるのを防ぐ必要があるからである。ニクロム線は，流れに乱れを生じさせず，かつ適度な電気抵抗値を持つ，素線直径

φ0.080mm（ニラコ製）を使用した。また，流脈線を，より明確にしたいため，このニクロム線に図 2のように直径約0.12mm になるよう，長さ約 3 mmの銅めっきを 1 mm 置きに施した（関下ら，2001）。
ニクロム線への銅めっき法は，まずめっきしない部分に非導通性ペイントを塗布し，そのあと図 3 に示す，銅板の電極を持ち内部に硫酸銅水溶液を満たしためっき装置にニクロム線を垂らし，ニクロム線側を直流電源の負電極，銅板を正電極にそれぞれ接続する。この際，ニクロム線にたるみができるのを防

図2

図1

スモークワイヤー装置

図3

銅めっき部の詳細

銅めっき装置平成29年２月

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流れ可視化装置の製作

ぐため線の下端部にクリップ等の錘を装着し，また一度に大きな電流を流した場合，後でめっきが簡単に剥がれてしまったりニクロム線自身が焼損することが起こり得るため，10mA 程度の電流を流すこととした。
めっき終了後，ニクロム線に塗布したペイントを溶剤で除去してから装置本体に装着するが，その際，台座上にバネ（TRUSCO 製引っ張りコイルバ
ネ TES320-020-189）の一端を固定した後，他端にニクロム線の一端を取り付ける。このバネは，通電した際，ニクロム線が膨張して伸び，流れ場内で振動を発生するため，これを防止する目的で，自由高さ18.9mm の引っ張りコイルバネを約50mm まで伸ばした状態でニクロム線下端部と結合した。また，バネそのものが流れを乱さない様，台座上に水平になるよう設置する必要があり，φ0.8の亜鉛めっき線で製作したリングをグラウンド線と共に台座に半田付けし，ニクロム線をこのリングに通すことで鉛直から水平方向へと90度折り曲げ，同時に負電極として使用している。天板にもニクロム線の上端固定用のリングを半田付けし，同時に正電極として使用している。台座および側板は，つや消し黒で塗装し乱反射を防いでいる。

EOS）の電子シャッターを制御するために必要なパルス信号の電位差は実機での検討の結果，1.7V 以下が望ましいことが分かったので，電子回路を用いて適切なタイミングでこのパルスを生じさせ，レリーズジャックを介してカメラに入力すればカメラのシャッターを外部から制御できる。よって図中の汎用 OP アンプと可変抵抗，固定抵抗，ダイオード，発光ダイオード，コンデンサ等から成る微分回路，半波整流回路，ボルテージフォロワー，差動増幅回路で構成された回路を製作し，その出力端子をカメラのレリーズジャックに接続することにした。
発煙装置への通電と同時に本回路のスタートスイッチ（操作が容易なようにプッシュスイッチを使用）
SW1 を ON にすれば，発煙後任意の設定時間だけ正確にストロボの発光タイミングをずらすことができた。なお，本装置で設定可能な遅延時間は160ms～10s までであるが，必要に応じて NE555素子の 5番ピンに外付けしたコンデンサ容量（本回路では100μF を使用）を変更すれば遅延時間幅を変更することが可能である。

2.3 発煙剤
発煙剤としては，流動パラフィン（小堺製薬 K.K．
製）とベンゼン（ナカライテスク K.K．製）の混合物を使用し，実際に流れ場の中で発煙させて比較検討した結果，その配合比率を 5 : 1 とした。
2.4 発光遅延装置
上記スモークワイヤー装置と発煙剤を使用して流れのパターンを可視化する場合，煙がある程度下流側へ流れ流脈線が形成された状態である必要がある。よってニクロム線へ通電してからカメラのシャッターが落ちストロボが発光するまでの間には若干の遅れが必要となる。また，主流速度によっても遅れ時間を変化させる必要がある。よって今回，ニクロム線への通電後，シャッターが落ちるまでの時間遅れを任意に，かつ正確に設定できる電子回路を設計，製作した。そのブロック図を図 4 に示す。発光タイミングの設定はタイマー素子 NE555で行うが，素子に外付けした可変抵抗を調整することにより遅延時間を決定できる。本研究では可変抵抗の調整を外部から容易かつ正確に行うため精密ダイヤル付きボリューム（シーメンス社製）を使用した。撮影に使用するデジタル一眼レフカメラ（Canon秋田高専研究紀要第52号

図43.

発光遅延回路のブロック図

可視化実験

これまで説明した可視化装置を用いて，最も基本的な流れ場の一つである，円柱下流側に発生するカルマン渦列の可視化を試みた。使用した風洞は，図5 に示す本研究室既存の低速低乱風洞である。本風洞は全長7.5m，最大流速22m/s，流速10m/s 時の速度乱れ強さ約0.08％，絞り比 9 : 1，測定部の断面は一辺40センチの正方形である。今回はノズル下流側50cm の位置に，水平かつ主流に直交するよう直径13mm の円柱を設置した。風洞測定部の断面が一辺40cm の正方形であるのに対し，円柱のスパン方向長さは450mm であり，両端を風洞試験部の左右壁

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渡部英昭

図5

図6

使用した風洞

可視化実験の状況

面から外へ突出させることにより円柱端部で生じる影響を無くした。可視化実験の状況を図 6 に示す。
今回製作したスモークワイヤー装置は円柱の直上流側に設置し，風洞外部に設けた直流電源装置を用いてニクロム線加熱用の直流電流を供給している。撮影用カメラは風洞測定部の横に，ストロボライトはカメラと直角に下向きで発光するよう風洞測定部の上方に，それぞれ設置した。撮影の度に発煙剤をやわらかい筆でニクロム線表面に塗布した。
実際に円柱後流カルマン渦列の可視化写真を図 7に示す。実験条件は，一様流速 U0＝0.8m/s，円柱は非加熱とし，スモークワイヤー装置への印加電圧は約35VDC，遅延時間は約800ms，シャッタースピー
ドは 1/200秒，絞り f は6.3，焦点距離18mm である。
上下に渦が千鳥状に配置された，典型的なカルマン渦列が鮮明に現れていることから，①本装置のフレーム部は流れを大きく乱してはいないこと，②選択したφ0.08のニクロム線および銅めっき部分は流れを乱していないこと，③発煙剤として使用した流動パラフィンとベンゼンの配合比率は適切だったこと，④印加電圧は適切だったこと，などが分かった。
なお，図 8 に，バネを取り付けなかったワイヤーが発熱により膨張して振動し流れ場に乱れを生じた
例を示す。図の縦方向に見られる縞模様が，その乱れである。
今後，この装置を使用して様々な流れ場の可視化実験を行っていく予定である。
4.

結論

スモークワイヤー可視化装置の製作を試み，以下の結論を得た。
①本装置の使用により適切な可視化実験を行えることがわかった。
平成29年２月

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流れ可視化装置の製作

図7

非加熱円柱後流の可視化写真

図8

ワイヤー膨張により生じた乱れ②本装置を流れ場内に置いても流れ場を変形するような重大な影響を与えることはなかった。
5.

参考文献

（1） 流れの可視化学会編，新版流れの可視化ハン
ドブック，1992，pp273-275.
（2） 関下信正，蒔田秀治，大江広行，伊藤弘志，
多線式メッキ煙線法による乱流場の瞬間像の 解 析， 日 本 機 械 学 会 論 文 集 B 編，Vol.67，No.661，pp.2243-2250，（2001-9).

秋田高専研究紀要第52号