High-speed video image analyses on actions of sand particles in a water jet obliquely impinging against a solid surface
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21H01443
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22040:Hydroengineering-related
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
竹原 幸生 近畿大学, 理工学部, 教授 (50216933)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
江藤 剛治 大阪大学, 大学院工学研究科, 招へい教授 (20088412)
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| Project Period (FY) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥13,650,000 (Direct Cost: ¥10,500,000、Indirect Cost: ¥3,150,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,730,000 (Direct Cost: ¥2,100,000、Indirect Cost: ¥630,000)
Fiscal Year 2022: ¥3,120,000 (Direct Cost: ¥2,400,000、Indirect Cost: ¥720,000)
Fiscal Year 2021: ¥7,800,000 (Direct Cost: ¥6,000,000、Indirect Cost: ¥1,800,000)
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| Keywords | 水力発電 / 混相流 / 噴流 / 粒子 / ジェット / 高速ビデオカメラ / 近赤外 |
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| Outline of Research at the Start |
水力発電は発電用タービンや圧力鉄管等の損傷が懸念されるため，ダム湖の濁度が上昇すると発電用の取水を停止し，濁りが収まるのを待って取水を再開する。発電用取水の具体的な濁度基準が明確になれば，発電効率の向上と堆砂対策に大きく貢献する。本研究では高速ビデオカメラと顕微鏡を用いた微小粒子群を含んだ噴流が壁面に衝突するときの現象を画像計測により明らかにする。微小粒子の現象解明のためには拡大撮影が必要である。具体的にはタービン内ブレードをモデル化した透明な壁面に微小粒子群を含んだ噴流を衝突させ，透明壁を通して高速ビデオカメラと顕微鏡を組み合わせた撮影装置により，微小粒子の壁面衝突現象を撮影する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
平成4年度は近畿大学（竹原）、大阪大学（江藤）で協力して研究を進めたが、主に担当した課題にわけて、内容を報告する。
数値解析（竹原）：球形粒子が垂直、もしくは角度を持って固体面に接近するときの粒子と水の運動の相互作用について数値解析を行った。例えば自由落下では、まず加速し、短時間で最終落下速度に漸近する。その後、底面極近傍では落下速度が0に漸近するという結果が得られた。
現地調査（竹原）：小水力発電の候補地で河床の粒度分析を行った。またある電力会社に対して小水力発電施設に流入する砂粒の粒度と、それに対する取水停止の条件等について資料提供を依頼した。現場では経験的な操作を行っており、系統的な検討をまとめた資料はないということであった。現場技術者へのヒアリングや、現地毎に残しているはずの経験的な操作方針の資料の収集は地味ではあるが、今後、小水力発電計画を実際に進める上では重要な研究テーマとなる。
撮影装置（江藤）：可視光から1,600 nmのSWIR光まで撮影できるビデオカメラ、フィルター、LED照明を整備し、波長と水の吸収係数の関係を調べた。水中の光の吸収係数は1,000 nm以上で急増する。石英ガラス水槽内を外部から観察すると、壁面や水面から1 cm（1,000 nm光）～1 mm（1500nm光）の層だけが写り、それよりバルク側は真っ暗になる。いわば「界面シート照明（造語）」ができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
水中での微細粒子の運動：水力発電装置の摩耗による損傷は砂粒子の衝突による。直径10μm以下の微細な砂粒子は表面に形成される電位により、相互に反発力を持ち、水中に浮遊する。これがダム貯水池で、洪水後、清水が流入しても長期にわたり水が澄むことがない原因である。これらの粒子は摩耗に関係しないと考えられる。10μm以上の砂粒子の壁面付近での運動の粒径依存性については不明な点が多い。この課題に対して、球形粒子、固体壁面、水運動の相互作用を数値計算で検討した。
現地調査：小水力発電の候補地で河床の粒度分析を行った。
撮影装置：固体壁面の極近傍の微細粒子の運動を可視光計測するには工夫が必要である。例えば絞りをあげて焦点深度を狭くすると光量不足になる。透明水槽の底面近傍に、底面に並行にスリット照明する方法では、壁面での光の散乱により、粒子だけを撮影することが難しい。底面のガラス（プラスチック）板に並行、または全反射角度以下の方向の光を入射すると、底面から染み出す光で撮影できるが、染み出し幅は波長のオーダーであり、１μm以下である。従って、底面に衝突する可能性が高い粒子の運動計測には狭すぎる。本研究では、1,600 nmのSWIR光まで撮影できるビデオカメラ、フィルター、LED照明を整備し、波長と水の吸収係数の関係を調べた。水中の光の吸収係数は1,000 nm以上で急増する。石英ガラス水槽内をこの照明技術で観察すると、壁面から1 cm（1,000 nm光）～1 mm（1500nm光）の層だけが写り、それよりバルク側は真っ暗になる。いわば「界面シート照明（造語）」ができることが確認された。この技術により、フィルターによる撮影波長の選択により、底から任意の高さまでの粒子運動の可視化が容易になると期待される。
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| Strategy for Future Research Activity |
数値解析結果の検証（竹原）：界面極近傍での粒子運動に関する数値解析の結果を実験的に検証する。「界面シート照明」とPTVを融合した技術を開発し、発展させる。またこの技術を静水および噴流に適用し、粒子サイズと壁面衝突運動の関係を明らかにする。
界面シート照明（竹原・江藤）：今回導入したビデオカメラは可視光、近赤外線（NIR）、短波赤外線（SWIR）までを撮影対象波長とする。しかし、撮影速度が最速で約700枚／秒程度であり、流れ中の微細粒子の運動計測には速度が足りない。現在研究室所有のPIV用ダブルパルスレーザの波長は512nm（YAG2倍波長）で緑色である。YAG基本波長レーザの波長は1024nmであるから、水底から1cm以内の層の水や砂運動の計測に最適である。また現在PIV計測に使われている蛍光粒子の吸収波長はYAG2倍波を対象にしており、SWIRによる計測には使えない。以上を考慮して、微細粒子の運動の基礎実験に対しては、本年度は以下の研究を進める。(1)今回導入したビデオカメラを用いて、粒子の自由落下等のSWIR波による運動計測を行う。(2)並行してYAG基本波長レーザをレンタルするとと共に、1000nm程度の吸収波長の蛍光塗料を塗布した粒子を試作し、厚さ1cm以下の水の界面付近の運動の計測技術を開発する。この技術は底面だけでなく、従来計測が困難であった変動する水面近傍の水運動の計測にも貢献する可能性が高い。
海外調査（江藤）：高速撮影技術の世界的リーダーの一人であり、これまでイメージング技術について国内技術を世界に広めるとともに、海外で開発された技術をいち早く国内に導入してきた。今年度もその活動を行う。
総括（竹原）：以上の成果をまとめて、小水力発電施設における流砂管理技術に資するとともに、「界面シート照明」という新流体計測分野を創設する。
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Report
(2 results)
Research Products
(8 results)
