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設計技術シリーズ

PIV計測システムの実践法
―粒子画像流速測定法の指南書―

著者: 舩谷 俊平(山梨大学)
定価: 4,950円(本体4,500円+税)
判型: A5
ページ数: 204 ページ
ISBN: 978-4-910558-04-2
発売日: 2021/10/28
管理No: 100

【目次】

    第1章 PIV計測とは

    1. 1.1 本書の目的
    2. 1.2 PIV計測の必要性
    3. 1.3 PIV計測の原理
    4. 1.4 PIV計測システムを用いた速度分布計測例
    5. 1.5 レーザ可視化による流れ場の把握
    6. 1.6 PIV計測システムの課題

    第2章 PIV計測に必要なもの

    1. 2.1 光源
    2. 2.2 トレーサ粒子
      1. 2.2.1 トレーサ粒子の光学的特性
      2. 2.2.2 トレーサ粒子の流れへの追従性
      3. 2.2.3 トレーサ粒子の種類とシーディング
    3. 2.3 撮影装置
      1. 2.3.1 産業用ビデオカメラ(マシンビジョンカメラ)
      2. 2.3.2 高速度ビデオカメラ
    4. 2.4 画像処理システム
      1. 2.4.1 背景除去
      2. 2.4.2 Min-Max Filtering
    5. 2.5 PIV計測システム設置例

    第3章 PIV計測システムの導入と計測手順

    1. 3.1 機材の選定
    2. 3.2 PIV解析ソフト
    3. 3.3 PIV解析と後処理の実施例
      1. 3.3.1 キャリブレーションの実施
      2. 3.3.2 非解析領域の指定
      3. 3.3.3 背景除去
      4. 3.3.4 時間間隔の設定
      5. 3.3.5 計測領域の設定
      6. 3.3.6 検査領域、探査領域の設定
      7. 3.3.7 PIVアルゴリズムの選定と詳細設定
      8. 3.3.8 PIV解析の実施
      9. 3.3.9 PIV解析の後処理
      10. 3.3.10 各種物理量の算出と表示

    第4章 画像処理の原理と手法

    1. 4.1 PIVとPTV
    2. 4.2 画像相関法
      1. 4.2.1 直接相互相関法
      2. 4.2.2 FFT相互相関法
      3. 4.2.3 自己相関法
      4. 4.2.4 輝度差累積法
      5. 4.2.5 オプティカルフロー
      6. 4.2.6 画像相関法の精度向上と誤差低減
      7. 4.2.7 PIV解析のパラメータ設定
    3. 4.3 再帰的画像相関法による高解像度PIV計測
      1. 4.3.1 再帰的相関法
      2. 4.3.2 回転や変形を考慮した画像相関法
    4. 4.4 粒子追跡法(PTV)
      1. 4.4.1 粒子像の抽出
      2. 4.4.2 粒子追跡

    第5章 PIVデータの後処理手法

    1. 5.1 誤ベクトルの判定と除去
      1. 5.1.1 誤ベクトルとは
      2. 5.1.2 誤ベクトルの自動的除去手法
    2. 5.2 誤ベクトル領域のデータ補間
      1. 5.2.1 内挿補間(PIV)
      2. 5.2.2 格子点データへの補間(PTV)
      3. 5.2.3 流体力学的補間
    3. 5.3 統計量の推定
      1. 5.3.1 渦度とせん断ひずみ速度の推定
      2. 5.3.2 流れ関数と流線の推定
      3. 5.3.3 加速度分布の算出
      4. 5.3.4 圧力分布の推定

    第6章 計測精度の評価

    1. 6.1 PIVの誤差の要因と伝播
      1. 6.1.1 誤差の要因とその分類
      2. 6.1.2 誤差の伝播
    2. 6.2 不確かさ解析
      1. 6.2.1 タイプA評価法
      2. 6.2.2 タイプB評価法
      3. 6.2.3 不確かさの合成
    3. 6.3 人工画像の利用
    4. 6.4 不確かさ解析の具体例
      1. 6.4.1 各々の標準不確かさの推定
      2. 6.4.2 Step3:不確かさの合成

    第7章 ステレオPIVと3次元計測

    1. 7.1 3次元計測の特徴
      1. 7.1.1 面外速度成分の測定精度
      2. 7.1.2 3次元PIVに必要な被写界深度
      3. 7.1.3 トレーサ粒子像の重なり合いによる粒子像の消失
    2. 7.2 カメラ校正
      1. 7.2.1 カメラ校正のプロセス
      2. 7.2.2 透視投影の原理
      3. 7.2.3 レンズひずみの影響
    3. 7.3 ステレオPIV
    4. 7.4 トモグラフィックPIV
    5. 7.5 3次元PTV
    6. 7.6 スキャニングPIV

    第8章 温度と速度の同時計測

    1. 8.1 LIF計測法による速度・温度分布の同時計測
      1. 8.1.1 レーザ誘起蛍光法(LIF)計測の原理
      2. 8.1.2 クエンチング(消光)による計測誤差
      3. 8.1.3 代表的な蛍光分子特性の例
      4. 8.1.4 2色レーザ誘起蛍光法(2色LIF法)
      5. 8.1.5 2色LIF法の計測例
    2. 8.2 感温液晶法
    3. 8.3 りん光寿命法
    4. 8.4 極細蛍光ワイヤーLIF法により気流の温度分布計測

    【参考文献】

    • Kawahashi, M. & Hosoi, K.: Dual-beam-sweep laser speckle velocimetry, Exp. Fluids, Vol.8, pp.109-111, 1989.
    • Kerker, M.: The scattering of light and other electromagnetic radiation, Academic Press, New York, pp.27-188, 1969.
    • Durst, F., Melling, A. & Whitelaw, J. H.: Principles and practice of laser-Doppler anemometry, Academic Press, London, pp.58-96, 1981.
    • Adrian, R. J. & Yao C. S.: Pulsed laser technique application to liquid and gaseous flows and scattering power of seed materials, Appl. Opt., Vol.24, pp.44-52, 1985.
    • Hinze, J. O.: Turbulence 2nd ed., McGraw-Hill, New York, pp.460-471, 1975.
    • 藤澤延行:粒子の追従性,可視化情報学会協力研究「PIVの実用化・標準化研究会最終報告書」,可視化情報学会,pp.27-40, 2000.
    • Hjelmfelt, A. T. & Mockros, L. F.: Motion of discrete particles in a turbulent fluid, Appl. Sci. Res., Vol.16, pp.149-161, 1966.
    • 木村一郎,高森年,井上隆:相関を利用した流れ場の速度ベクトル分布の画像計測-円柱後流の変動渦への適用,計測自動制御学会論文集,Vol.23, No.2, pp.101-107, 1987.
    • Willert, C. E. & Gharib, M.: Digital particle image velocimetry, Fluid Meas. Instrum. Forum, ASME FED-Vol.95, pp.39-44, 1990.
    • 加賀昭和,井上義雄,山口克人:気流分布の画像計測のためのパターン追跡アルゴリズム,可視化情報,Vol.14, No.53, pp.108-115, 1994.
    • 三池秀敏,古賀和利編:パソコンによる動画像処理,森北出版,pp.133-178, 1993.
    • Nishio, S., Okuno, T. & Morikawa, S.: Higher order approximation for spatio-temporal derivative method, Flow Visualization VI, Springer, pp.725-729, 1992.
    • Westerweel, J.: Theoretical analysis of the measurement precision in particle image velocimetry, Exp. Fluids, Vol.29, Suppl.1, pp.S003-S012, 2000.
    • Keane, R. D. & Adrian, R. J.: Theory of cross-correlation analysis of PIV images, Appl. Sci. Res., Vol.49, pp.191-215, 1992.
    • Keane, R. D. & Adrian, R. J.: Optimization of particle image velocimeters, Part Ⅰ: Double pulsed systems, Meas. Sci. Tech., Vol.1, No.11, pp.1202-1215, 1990.
    • Fincham, A. & Delerce, G.: Advanced optimization of correlation imaging velocimetry algorithms, Proc. 3rd Int. Workshop on PIV, additional print, 1999.
    • Lecordier, B., Lecordier, J. C. & Trinite, M.: Iterative sub-pixel algorithm for the cross-correlation PIV measurements, Proc. 3rd Int. Workshop on PIV, pp.37-43, 1999.
    • Scarano, F. & Riethmuller, M. L.: Iterative multigrid approach in PIV image processing with discrete window offset, Exp. Fluids, Vol.26, Is.6, pp.513-523, 1999.
    • Scarano, F. & Riethmuller, M. L.: Advances in iterative multigrid PIV image processing Exp. Fluids, Vol.29, Suppl.1, pp.S51-S60, 2000.
    • Scarano, F.: Iterative image deformation methods in PIV, Meas. Sci. Tech., Vol.13, pp.R1-R19, 2002.
    • 植村知正,山本富士夫,幸川光雄:二値化相関法-粒子追跡法の高速画像解析アルゴリズム,可視化情報,Vol.10, No.38, pp.196-202, 1990.
    • Westerweel, J.: Efficient detection of spurious vectors in particle image velocimetry data, Exp. Fluids, Vol.16, pp.236-247, 1994.
    • Westerweel, J. & Scarano, F.: Universal outlier detection for PIV data, Exp. Fluids, Vol.39, pp.1096-1100, 2005.
    • Murai, Y., Ido, T. & Yamamoto, F.: Post-processing method using ellipsoidal equation for particle tracking velocimetry measurement results - Extension to unsteady flow, mismatched vector detection, application to Experimental data, JSME Int. J., Ser. B, Vol.66, pp.2265-2273, 2000.
    • Agui, J. C. & Jimenez, J.: On the performance of particle tracking, J. Fluid Mech., Vol.185, pp.447-468, 1987.
    • Ido, T., Murai, Y. & Yamamoto, F.: Post-processing algorithm for particle tracking velocimetry based on ellipsoidal equations, Exp. Fluids, Vol.32, pp.326-336, 2002.
    • Ido, T. & Murai, Y.: A recursive interpolation algorithm for particle tracking velocimetry. Flow Meas. Inst., Vol.17, pp.267-275, 2006.
    • Adbrecht, T., Weier, T., Gerbeth, G., Metzkes, H. & Stiller, J.: A method to estimate the planner instantaneous body force distribution from velocity field measurements, Phys. Fluids, Vol.23, 021702, 2011.
    • Liu, X. & Katz, J.: Instantaneous pressure and material acceleration measurements using a four-Exposure PIV system, Exp. Fluids, Vol.41, pp.227-240, 2006.
    • Fujisawa, N., Tanahashi, S. & Srinivas, K.: Evaluation of pressure field and fluid forces on a circular cylinder with and without rotational oscillating using velocity data from PIV measurement, Meas. Sci. Tech., Vol.16, pp.989-996, 2005.
    • Shigetomi, A., Murai, Y., Tasaka, Y. & Takeda, Y.: Interactive flow field around two Savonius turbines, Renewable Energy, Vol.36, pp.536-545, 201.
    • International Organization for Standardization (ISO): International Vocabulary of Methodology-Basic and General Concepts and Associated Terms (VIM), ISO. Geneva, 1993.
    • International Organization for Standardization (ISO): Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement, ISO, Geneva, 1995.
    • 可視化情報学会編,"PIV ハンドブック",森北出版,(2018)
    • Adrian, R. J.: Particle-imaging techniques for Experimental fluid mechanics, Annu. Rev. Fluid Mech., Vol.23, pp.261-304, 1991.
    • Nobach, H. & Bodenschatz, E.: Limitations of accuracy in PTV due to individual variations of particle image intensities, Exp. Fluids, Vol.47, pp.27-38, 2009.
    • Nishio, S. & Murata, S.: A Numerical Approach to the Evaluation of Error Vector Appearance Possibility in PIV, Proc. 5th Int. Symp. Particle Image Velocimetry, pp.3321.1-3321.9, Busan, Korea, September, 2003.
    • Suzuki, Y., Ikenoya, M. & Kasagi, N.: Three-dimensional PTV measurement of the phase relationship between coherent structures and dispersed particles in a turbulent channel flow, Proc. 3rd Int. Symp. Particle Image Velocimetry, Santa Barbara, USA, pp.107-112, 1999.
    • Adrian, R. J.: Particle-imaging technique for Experimental fluid mechanics, Annu. Rev. Fluid Mech., Vol.23, pp.261-304, 1991.
    • Scarano, F., Ghaemi, S., Caridi, G. C. A., Bosbach, J., Dierksheide, U., & Sciacchitano, A.. On the use of helium-filled soap bubbles for large-scale tomographic PIV in wind tunnel experiments. Experiments in Fluids, 56(2), 1-12, 2015.
    • Maas, H. G., Gruen, A. & Papantoniou, D.: Particle tracking velocimetry in three-dimensional flows: Part Ⅰ. Photogrammetric determination of particle coordinates, Exp. Fluids, Vol.15, pp.133-146, 1993.
    • Kobayashi, T., Saga, T & Sekimoto, K.: Velocity measurement of three-dimensional flow around rotating parallel disks by digital image processing, Flow Visualization-1989, ASME, FED, Vol.85, pp.29-36, 1989.
    • Prasad, A. K. & Adrian, R. J.: Stereoscopic particle image velocimetry applied to liquid flows, Exp. Fluids, Vol.15, pp.49-60, 1993.
    • Prasad, A. K. & Jensen, K.: Scheimpflug stereocamera for particle image velocimetry in liquid flows, Appl. Opt., Vol.34, No.30, pp.7092-7099, 1995.
    • Elsinga, G. E., Scarano, F., Wieneke, B., & van Oudheusden, B. W., Tomographic particle image velocimetry. Experiments in fluids, 41(6), 933-947, 2006.
    • Kent, J. C. & Eaton, A. R.: Stereo photography of neutral density He-filled bubbles for 3-D fluid motion studies in an engine cylinder, Appl. Opt., Vol.21, No.5, pp.904-912, 1982.
    • Chang, T. P. K., Watson, A. T. & Tatterson, G. B.: Image processing of tracer particle motions as applied to mixing and turbulent flow-I: the technique, Chem. Eng. Sci., Vol.40, No.2, pp.269-275, 1985.
    • Fujisawa, N., & Funatani, S., Simultaneous measurement of temperature and velocity in a turbulent thermal convection by the extended range scanning liquid crystal visualization technique. Experiments in fluids, 29(1), S158-S165, 2000.
    • Guilbault, G. G.: Practical Fluorescence: Theory, Methods, and Techniques, Marcel Dekker, 1973.
    • Sakakibara, J. & Adrian, R. J.: Whole Field Measurement of Temperature in Water using Two-Color Laser Induced Fluorescence, Exp. Fluids, Vol.26, No.1/2, pp.7-15, 1999.
    • Funatani, S., Fujisawa, N. & Ikeda, H.: Simultaneous measurement of temperature and velocity using two-color LIF combined with PIV with a color CCD camera and its application to the turbulent buoyant plume, Meas. Sci. Tech., Vol.15, 2004.
    • Funatani, S., and N. Fujisawa. "Simultaneous measurement of temperature and three velocity components in planar cross section by liquid-crystal thermometry combined with stereoscopic particle image velocimetry." Measurement Science and Technology 13.8 (2002): 1197.
    • Someya, S., Okura, Y., Uchida, M., Sato, Y. & Okamoto, K.: Combined velocity and temperature imaging of gas flow in an engine cylinder, Opt. Lett., Vol.37, pp.4964-4966, 2012.
    • Funatan, S., and A. T. Takeda. "Temperature measurement of air flow using ultra-fine fluorescent wires." Proceedings 18th International Symposium on Flow Visualization. ETH Zurich, 2018.

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