乱流現象および混相流に対応した
高時間分解能のレーザーせん断応力計
2022年9月27日

室蘭工業大学
理工学部 創造工学科
准教授 大石 義彦

Fluid Engineering Laboratory – Muroran Institute of Technology Japan1

従来法の問題点
既存装置の比較〇直接測定法の仕様
・接触式(流れ場への擾乱)・系統誤差：30％
・低時間分解能〇間接測定法の仕様
・普遍法則成立 (対数速度分布)
・正確な速度分布・単相流 (物理的特性)

混相流の壁面せん断応力
従来法のセンサ

乱流におけるバースト現象の発生と周期性の取得が困難

𝑑 𝑢ത
𝜏𝑤 = (𝜇0 + 𝜇 𝜑 )𝑑𝑦
複雑な流体現象に対して正確なせん断応力測定は困難

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新技術の特徴• 従来技術では困難であった、高周波成分を取得するためレーザードップラー変位計として改良することに成功した。
• センササイズが10mmと他の直接測定法と同等の精度が維持でき，さらに小型化が期待できるようになった。
• 従来は普遍法則成立が前提であったため、高速に流れる混相流のせん断応力の評価が困難であったが，本センサおよび解析装置の開発により性能が向上できたた
め、混相乱流のせん断応力を取得することが可能となった。
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従来技術との比較
測定原理

計測方法

流れ場の種類
非圧縮 圧縮性

非定常

三次元

光学的変位計測

○

△

◎×

直接法

変位計測/変位フィードバック方式

○

△×

△

壁法則

速度分布

対数速度則

◎△×

○

障害物

ブレストン管

◎

○

×

△

フェンス

◎

◎

×

△

油膜法

◎◎

×

◎

レーザ干渉法◎◎×○

せん断応力感応液晶

○

◎

○

○

サーマルタフト○×○△

パルスワイヤ○×△×

マイクロサーマル

○

○

○

×

運動量積分式○△×△

本技術（直接法）

トレーサ法

液トレー
サ

熱トレー
サ

運動量平衡

◎：適用

○：流れ場の条件付 △：計測上の条件付 ×：不可
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レーザードップラーせん断応力計

LASER
光源ユニットセンサユニット

光検出ユニット

レーザー光源壁面せん断応力ドップラーシフトされた光

回転するすりガラス
によるドップラーシフト

変位をドップラーシフトに変換

干渉によるビート信号を検出

𝑓𝑑 =𝜑
𝑓1 − 𝑓2 = 2𝜔𝑟sin
𝜆2

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測定原理（変位の取得方法1）
ピンホール A(稼働)
せん断応力
センシング面

𝑓2

ωr

反射体

Heterodyne法を用いた
ビート信号
f1
f2

𝑓2 − 𝑓1ゼロ

φφ'𝑓1

ピンホール B (固定)

基準位置（せん断応力0）のビート信号周波数2𝜔𝑟𝜑𝑓𝑑1 = 𝑓1 − 𝑓2 =sin
𝜆2

ゼロ点の取得による応力値を精度良く測定可能になった

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6測定原理（変位の取得方法2）

ピンホール A(稼働) ピンホール A のセンサの変位

センシング面
（基準位置）

をビート信号で取得（せん断応
力値は検量線により取得）

センシング面
（受感位置）

ω𝑓3

r

2𝜔𝑟𝜑′
𝑓𝑑2 = 𝑓1 − 𝑓3 =
sin
𝜆2φ'
反射体

𝑓1

1kHzの振動に対応し，高い時間分解能を実現した．

ピンホールB (固定)
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ビート信号
1.0

Voltage [v]

0.9
0.8
0.7
0.6

1000 points

0.5
0.4

0.0

0.1

0.20.3Time t [ms]Beat signal frequency at each time

𝑥𝑓=𝑡Wall shear stress at each time𝜏𝑤 = 𝑓 ×ζ

0.4

f : Beat signal frequency[Hz]x : Wave number [-]T : Time [s]𝜏𝑤 : Wall shear stress[Pa]ζ: Spring constant [-]
8

9

実証実験１

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9せん断応力の検証

Frequency

Frequency

実際に取得した波形データ

Shear stress

Shear stress取得したせん断応力の再現性を確認

速度の変化に対して精度を確認

Fluid Engineering Laboratory – Muroran Institute of Technology Japan1011

実証実験２x模型船への適用例
Shear stress meter unit
Laser detecting unitz

Doppler shift unity
模型船へ搭載3330 mmzy

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想定される用途• 船舶，配管等の抵抗低減実証試験の高精度な調査が期待できる。
• 様々な混相流の流動と摩擦抵抗の評価が必要な場面で利用できる。
• 乱流構造が壁面せん断応力へ及ぼす物理的な解明により摩擦抵抗低減による乱流制御が期待できる。
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想定される用途の例
省エネ船の検証
空気潤滑船 撮影：大石・ 気泡流のような混相流のせん断応力測定
・ 摩擦抵抗の評価
・ 高速流れの時系列データ評価
・ フィードバック制御のためのリアルタイム計測
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想定される用途の例
大きな気泡同士の干渉

小さい気泡同士の干渉
6.0

0z/r

z/r

6.0-6.00-6.0-6.00x/r

6.0-6.006.0

x/r

Y.Oishi, Y.Tohge,Y.Tasaka,Y.Murai,“Bubble clustering in a horizontal turbulent channel flow
investigated by bubble-tracking velocimetry”, IJMF (2019)

気泡間相互作用によって引き起こされる気泡クラスタ形成
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実用化に向けた課題• 現在、高周波成分に対応する手法が開発済みである。
しかし、実用化に向けて、実船レベルの高いレイノルズ数の精度まで向上し，SN比を向上させる方法が未解決である。
• 今後、模型船の実験データを取得し、実用船に適用していく場合の具体的な仕様設定を行うこと。
• 混相流（特に気泡流）のせん断応力のデータを蓄積し，技術を確立すること。
• リアルタイム計測のための高速に解析する技術が未解決であること。

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企業への期待• せん断応力装置だけでなく，流体制御に興味のある企業との共同研究を希望
計測機器，プラント関連，重工業など• 船舶，配管などの流体の省エネルギー技術を検討している企業と共同研究を希望
自動車関連，造船関連，プラント関連など• 混相流における摩擦抵抗低減効果を最大限に利用することを検討している企業との共同研究を希望
新領域への拡張を検討する企業

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本技術に関する知的財産権•発明の名称
•出願番号
•出願人
•発明者

：測定システム：特許6986265：室蘭工業大学：大石義彦、河合秀樹

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産学連携の経歴•2017年-2019年 NEDO事業
民間企業と共同研究実施•2018年-継続中 国立研究所，大学との共同研究

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お問い合わせ先

室蘭工業大学
地方創生研究開発センター 吉成、柴田ＴＥＬ 0143－46 － 5860
ＦＡＸ 0143－46 － 5879
e-mail crd＠mmm.muroran-it.ac.jp

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