ステレオ PIV による流場計測の実用化について
1. はじめに流れ船体周囲の流速・流向を計測、可視化し、その流場を把握することは、船型開発およびプロペラ設計において重要な作業のシートレンズ

粒子

1 つです。当センター（以下 SRC）では依頼者のニーズに対応するために、5 孔ピトー管を用いた流場計測を行ってきました。

ダブルパルスレーザ

しかしながら、5 孔ピトー管は接触式の計測装置であり、物体レーザシート

カメラ近傍の流速を計測する場合、5 孔ピトー管そのものを物体に近図−1づける必要があるため、物体と 5 孔ピトー管の干渉により、流動作原理（1）速が変化し計測精度が悪化するという問題があります。また、動作原理としては、流体中に追従性のよい微小な粒子を混物体が複雑な形状である場合、5 孔ピトー管が物理的に接触し入し、レーザをシート状に放射して流れ場を可視化し、高解てしまうため、計測が困難または不可能な領域が生じます。加像度カメラで記録します。短い時間間隔（⊿t）で 2 回照射してえて広い範囲で計測を行おうとする場合、少しずつ移動させな⊿t の間の、粒子の移動量（⊿s）から速度（V（t））を求めます

がら計測するため多くの時間が必要になります。

（図−1、図−2）。複数台のカメラを用いれば、速度の 3 方向成一方、近年ではダクトやステータ、舵フィン等の流力学的な省エネ装置（ESD）の開発が盛んに行われています。SRC で水分を求めることができ、SRC では精度とコストを勘案し、2 台のカメラを用いたステレオ PIV 計測法を選定しました。

槽試験を行う船も例外ではなく、その大半に ESD が装備されています。ESD は船体、舵、プロペラ前後に取り付けられ流体力学的な相互干渉が強いため、その周囲の詳細な流場を把握する撮影画像t

粒子ことが、高性能な ESD の開発には必要だと考えています。

t+⊿t

そこで SRC では新たに非接触式の流速計測装置である、スt

テレオ PIV（Particle Image Velocimetry）を導入することで前述t+⊿tの問題を解決し、ESD 周囲の流場計測を行える態勢を整えましt

た。本稿ではステレオ PIV 計測法の技術的な概要と、SRC におt+⊿t⊿sV(t)

ける実用化に向けた取り組みについて紹介致します。

2. PIV（粒子画像流速測定法）とはPIV（粒子画像流速測定法）とは、流体中に混入したトレーサ粒子の粒子画像により、2 次元平面内の速度および方向を非接

図−2動作原理（2）3. ステレオ PIV システム
3.1 計測装置

触で求めることができる流体計測手法です。流れの定常的把握

ステレオ PIV 装置として計測制御から解析まで一体のシステにすぐれ、非定常流れ場の 2 次元、3 次元解析に用いられる手ムとなっている LaVision 社の装置を導入しました。主な仕様を法です

表−1、表−2 に、カメラとレーザ部分を図−3 に示します。内。

1）

PIV は連続する 2 画像間の粒子の移動量より流速を計測する部のカメラは図−4 に示します。

原理としては簡単なものですが、空間的なデータを得るには高度な演算処理を高速で実施できる PC や、高解像度のカメラ等が必要となり、ハードウェア的なハードルが高いものでした。

PC や計測機器類の発達とともに、高精度な計測が比較的手軽カメラ2レーザ

カメラ1に行えるようになり、近年様々な分野への導入・開発が行われています。

図−3

カメラ、レーザ部分

SRC NEWS No.103 December 2018 11

上下左右前後PIV装置
図−4カメラ

図−5 レーザ電源

表−1 ダブルパルス YAG レーザ

表−2 PIV カメラ仕様

図−8 ステレオ PIV の計測システム

3.2 キャリブレーションモデル

DPIV-L200S

モデル

Imager Pro SX 5M

出力200mJ/Pulse

センサ

CCD

最大繰り返し

15Hz

有効画素数

2448 × 2050pixel

2 面を交互に配列したプレートを使用しています。プレートに波長532nmダイナミックレンジ

12bit

ビーム径

ピクセルサイズ3.45μm×3.45μmは等間隔で印が印字されています。このプレート（図−9）を計7mm

ステレオ PIV の計測時のイメージを図−6、図−7 に示します。

キャリブレーションには 300mm × 300mm の奥行の異なる測面上に置き、カメラで撮影します。等間隔に配置された印を撮影し解析することでキャリブレーションを行います。

SRC の計測は Under Water での PIV 計測となり、風洞や管内の計測と異なり計測する流れ場の中にカメラやレーザを配置しています。なので、流れ場への影響が小さくなるように考慮した配置となっています。

カメラ2

カメラ1

レーザシート流れ船首船尾図−9

キャリブレーションプレート

プレートを計測面に正しく設置出来ているかどうかが、誤差
図−6ステレオ PIV の計測システムに直結するので、その設置には細心の注意を払う必要があります。しかし完全に一致させることは非常に難しいため、粒子画

左舷

船体右舷

レーザシート像からシート面の位置を検出するセルフキャリブレーション手法も用いています。プレートを用いて実施した後さらにセルフキャリブレーションを行うことで、さらなる精度向上が見込まれます。

計測（撮影）部分

SRC ではキャリブレーション後に一様流計測を実施し確認を行っています。

図−7ステレオ PIV の計測システム

3.3 トレーサ粒子・散布方法

カメラとレーザは進行方向に向かって左側に設置しており、トレーサ粒子は PIV 計測において重要な要素となります。ト

船体であれば左舷側からの計測となり、レーザシート面が計測

レーサ粒子は作動流体に対する追従性が重要な条件となりま面となります。レーザシートに反射した粒子をカメラで撮影しす。また 1 画素の中に粒子像が埋没してしまう様な粒径である解析することで流場がわかります。撮影カメラは魚雷のようなと PIV の解析には適しません。

筒に入っており、進行方向に対して前後に 2 台設置され、ミラーSRC では、比重が 1.0 に近いナイロンパウダー（粒径 4.1μm）を通してレーザシート後方から撮影しています。SRC のステおよび反射率が高く粒径の大きな銀でコーティングされた中空レオ PIV 装置には冶具に三方向にトラバース機構（図−8）が付ガラス粒子（粒径 10.0 μ m）を使用しています。後述する反射いているため、一断面取り終えたらすぐに別断面の計測が可能

光対策でカメラにレンズフィルターを取り付ける際には後者のです。

銀粒子を使用しています。

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また、PIV 計測を行うには、計測を行う流体中に粒子を散布

3.5 反射抑制方法しておく必要があります。しかしながら、水槽内すべてに粒子PIV では強力なレーザ光をシート状に流場に照射して、粒子を満たすのは難しいため、計測を行う範囲に限って粒子を散布を撮影します。その際、レーザシートの先に物体が存在するとしています。粒子の散布は曳引車の前方に冶具（図−10）を設

レーザ光が物体表面で反射して、反射光として画像に映り込み、置して散布しています。SRC では流れ場に影響がないように、解析の際の粒子の解像が困難になります。反射光が多く映り込水面より少し上から水で溶いた粒子を散布しています。粒子がんだ船体断面計測時の撮影画像を図−11 に示します。船体下部なければ計測精度が著しく悪化するため、毎航走散布して確認において大きく反射し、このような場合粒子が識別出来ず反射しながら計測を行っています。

している周囲の解析は正しく出来ません。船体や ESD、舵等の物体を含む断面において PIV 計測を行おうとする場合、物体にレーザ光を照射する必要があり、避けられない問題となります。
反射光への対策としては、物体に黒色塗料を塗布して反射量そのものを減らす方法と、蛍光塗料を塗布し、反射光に特定の波長を持たせてカメラのレンズフィルターにより減衰させる方法があります。SRC では両方の方式で比較試験を行った結果、蛍光塗料を塗布する方法を用いています。

図−10 散布冶具

3.4 計測方法
PIV で計測精度を向上するには撮影画像を増やし平均値を求めます。SRC では 1 航走当たり約 250 枚の画像を撮影し、数航走分の画像データ（約 1000 枚）を解析して、流速を求めています。なお、5 孔ピトー管で PIV と同じ範囲の流場計測を行うと、十数航走する必要があり、それを考えると PIV は時間効率にも優れた計測装置であることがわかります。
ここで、画像を撮影する時間間隔（⊿t）の設定には注意が必要です。⊿t が大きいと大半の粒子がレーザシート幅を突き抜けてしまい、全く別の粒子での解析となり大きな誤差の要因

図−11 撮影画像となります。一方⊿t を短くしすぎれば粒子の移動量が小さく

ただし、減衰はさせるものの、図−12 に示すように、反射光なり、これも誤差の要因にもなるため、試験速度に適した値にの影響は完全に除去出来ないため、物体表面のごく近傍（10mm設定する必要があります。

程度）の流速は計測出来ないという状況は原理的に不可避な部

PIV の解析、粒子移動量の算出において代表的な手法、注意分として残っています。

点について下記に示します。

1） サブピクセル補間
PIV の画像解析では整数画素数単位の移動量を推定しているので精度は画像の画素分解能にも依存してしまいます。画素数にも限界があるため、画素間を補間し二次元正規分布として連続関数にした上で変位ベクトルを求めることで、誤差を減少させる手法（サブピクセル補間）がとられます。

2） ピークロッキング
粒子像の径が 1 画素未満であると整数値でしか移動量を検出することが出来ず、誤差の要因となってしまう。これをピークロッキングといい、粒子像の径は 3 画素以上であることが望まれます。

図−12 船体画像

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4. 計測事例
1） 肥大船におけるプロペラ伴流分布計測
計測事例として、まず曳航状態における肥大船のプロペラ伴流分布を PIV と 5 孔ピトー管で計測した例を紹介します。図−13 にステレオ PIV の結果を、図−14 に 5 孔ピトー管の計測結果を示します。両者は概ね一致しており、ステレオ PIV は実用上十分な精度を有していることが確認出来ます。

図−15舵断面計測結果（舵）図−13 ステレオ PIV 計測結果

図−16 舵断面計測結果（舵 + 舵付加物）

ます 2）。計測する船、プロペラ、ESD 等を水に屈折率の近い素材で製作できれば大きな反射の抑制につながるため、SRC でも透明素材の導入を目指し検討しています。また、現状では平均流場しか計測することが出来ず、乱れの大きい流場において、瞬時の流れの変化を捉えることなどは困難です。調査検討を行い、今後幅広いニーズに対応出来るようにと考えています。
図−14 5 孔ピトー管計測結果

2） 舵断面計測結果

SRC で装置を導入してから計測方法の確立や、他の計測方法との比較を行い計測結果の妥当性等について主に行ってきまし

次に PIV による自航状態における舵まわりの流場計測結果をた。今後は標準的な流場計測法の一つとなるように、準備時間

図−15 と図−16 に示します。図−15 は舵のみ、図−16 は舵にの短縮など、よりスムーズな計測も目指して開発を進めていき省エネ付加物が付いた状態の計測結果です。なお、右舷側は逆たいと考えています。

ピッチのプロペラ、左右反転した舵付加物を用いて、左舷側に右舷側の流れを再現し計測しています。計測プロペラ回転流にここでご紹介したような PIV による流場計測にご興味のある方は、是非ご連絡をいただければと思います。

よる、左舷と右舷における流場の非対称性と舵フィンにより流れが上下に分離されている様子が良くわかります。

5. 今後の課題

参考資料

1） 第 14 回可視化フロンティア「PIV 講習会 2013」可視化学会資料

今後の技術的な課題の一つに反射の抑制があげられます。物

2）「屈折率整合技術の水槽試験への応用―省エネダクト内部の体近傍のおよそ 10mm は計測出来ていません。ESD の開発の詳細流場計測法の開発―」濱田達也、平成 30 年度（第 18 回）ことを考慮すれば、より物体近傍まで計測出来るようにするこ

海上技術安全研究所研究発表会講演集とが課題となります。解決方法の一つに透明素材の導入があり

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（試験センター技術部白倉潤）