Development of versatile optical measurement principles for identifying multiscale physics in thermal convection

开发用于识别热对流中多尺度物理的通用光学测量原理

基本信息

批准号：
19J20096
负责人：
能登大輔
金额：
$ 1.98万
依托单位：
Hokkaido University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

デジタル画像処理による可視化流体計測において，色情報を用いることにより従来計測できなかった新たな物理量（面外速度成分や温度）を取得する手法を確立した．Color PTVの開発では，カメラ視軸方向に連続的に色変化するレインボー光を可視化光源とし，流体中の粒子の色情報とカメラ奥行情報を，人工ニューラルネットワークによって対応付けることに成功した．光源には液晶プロジェクタ，可視化には一台のカラーカメラのみを用いるため，非常に安価で簡易な光学系のみで，三次元三成分流速分布を取得できる手法となった．温度に対応した色を発色する感温液晶粒子を用いた熱対流計測では，熱対流の微弱な流れ場においても長時間分散する感温液晶粒子の特性によって，安定温度成層化における水平対流の時空間発展を定量化することに成功した．また，感温液晶の発色を温度情報へと対応付ける手法を人工ニューラルネットワークの導入により実現し，計測精度0.2度以下の非接触温度計測法を確立した．これらの技術を統合し，シート光およびカメラを流体層全域に渡って走査することにより，準瞬時三次元三成分流速分布および三次元温度分布を取得する手法を確立した．この手法を用いて回転熱対流において形成される渦柱の運動および個々の渦柱が有する瞬時の熱輸送量を同時に計測することが可能となった．従来流れ場全体の積分量として議論されていた熱対流の熱輸送特性を，瞬時かつ局所の情報として抽出することにより，これまで説明できなかった渦中の拡散挙動の由来を解明することに成功した．

在使用数字图像处理的可视化流体测量中，已经建立了一种方法来获取新的物理量（平面外速度成分和温度），该物质是通过使用颜色信息在过去无法测量的。在颜色PTV的开发中，我们使用可视化光源来使用彩虹灯，该彩虹灯在相机的视轴上不断地改变颜色，并成功地将流体中粒子的颜色信息与使用人工神经网络相关的摄像机深度信息。由于将液晶投影仪用作光源，并且使用单色摄像头进行可视化，因此仅使用非常便宜且简单的光学系统就可以获取该方法以获取三维三分量流量速度分布。在使用温度敏感的液体晶体颗粒的热对流测量中，由于温度敏感的液晶颗粒的特征，在稳定的温度分层过程中，我们成功地量化了水平对流的时空演化，这些液体液晶颗粒的特征在很长一段时间内，即使在热对流的弱流动场中也很长一段时间分散。此外，通过引入人工神经网络来实现一种将温度敏感液体晶体与温度信息相关联的技术，并且已经建立了一种非接触式温度测量方法，测量精度为0.2度或更低度。通过集成这些技术，我们建立了一种方法，可以通过扫描板灯和摄像机在整个流体层中获得半实用的三维三组分流速分布和三维温度分布。使用此技术，可以同时测量以旋转热对流形成的涡流的运动以及每个涡流柱具有的瞬时热传输量。通过提取热对流的热传输特性，以前已将其作为整个流场的积分量进行了讨论，即瞬时和局部信息，我们已经成功阐明了涡流中扩散行为的起源，直到现在才能解释。