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视觉流体测量中，我们建立了一种获得新物理量（面外速度分量和温度）的方法，这些物理量无法通过传统方式使用颜色信息进行测量。在开发彩色 PTV 时，我们使用在相机视轴方向上连续改变颜色的彩虹光作为可视化光源，并使用人工神经网络成功地将流体中颗粒的颜色信息与相机深度信息相关联。由于仅使用液晶投影仪作为光源，并使用单色相机进行可视化，因此该方法能够仅使用非常便宜且简单的光学系统来获得三维三分量流速分布。在使用产生与温度相对应的颜色的感温液晶粒子的热对流测量中，即使在热对流的微弱流场中，感温液晶粒子也能长时间分散的特性使得可以检测水平对流在稳定的温度分层过程中，我们成功地量化了空间发展。此外，通过引入人工神经网络，我们实现了将温敏液晶显色与温度信息相关联的方法，并建立了测量精度在0.2度以下的非接触式测温方法。通过集成这些技术，并用一片光和相机扫描整个流体层，我们建立了一种获得准瞬时三维三分量流速分布和三维温度分布的方法。利用该方法，可以同时测量旋转热对流中形成的涡柱的运动以及每个涡柱的瞬时传热量。通过提取热对流的传热特性（传统上将其视为整个流场的积分量）作为瞬时和局部信息，我们成功地阐明了涡流中扩散行为的起源，直到现在。 ..