2019 Fiscal Year Annual Research Report
Development of versatile optical measurement principles for identifying multiscale physics in thermal convection
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19J20096
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
能登 大輔 北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱対流 / 回転場 / 相変化 / 光学的可視化 / 画像処理 / ニューラルネットワーク |
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| Outline of Annual Research Achievements |
長時間の高解像度画像を連続で撮影するため，安価で高い汎用性を有する産業用カメラを，熱対流のデジタル画像計測に導入した．これにより，数秒から数時間までの幅広い時間スケールを有する熱対流現象を包括的に計測することが可能となった．また，空間分解能の向上により，10μm程度の微小な感温液晶粒子をそのまま追跡し，高空間分解能な速度場計測を可能とした．すなわち，原理的に色情報としての温度情報と粒子運動としての速度情報が，一台のカメラ，一種類の粒子で計測可能な段階へと到達した．
二次元計測において，温度場および速度場を同時に定量計測する手法は，ニューラルネットワークを用いて実現された．この手法は，ドイツ・ヘルムホルツセンターとの共同研究である相変化（結晶化）を伴う固液二相の二重拡散対流を対象として開発した．液相中に固相が分散する複雑な流れ場においても，高い精度で温度・速度場の同時計測が可能であることを証明した．
同様の計測法を回転熱対流現象へと適用した．非回転熱対流をスピンアップさせ回転熱対流へと遷移させる過程で，複数の不安定性を段階的に経由することで，多様な流体構造の変化が生じることが明らかとなった．
また，色情報を用いた三次元速度場計測の初期段階として，二色のレーザーと二台のカメラを用いた，二断面三成分速度場計測法を確立した．液化天然ガスタンクを模倣した，不混和二層対流を計測対象とした．従来，層間の相互作用は鉛直断面においてのみ計測されていたが，この計測によって面同士の相互作用として，より複雑に捉えることが可能となった．
次年度以降のさらなる計測法開発および熱対流研究のため，光学的計測に特化した熱対流実験容器の設計・製作を行った．
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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
色情報と空間情報を用いた，感温液晶による温度場計測法を，ニューラルネットワークの導入によって確立した．これらは学会2件，英文誌1報の発表に至った．これによって，単相流，混相流問わず，二次元断面における温度場・速度場の計測が1台のカメラで実現された．すなわち，計測対象の複雑性に制限を受けることないロバストな流体計測が可能となった．この技術を基盤として計測次元を拡張することで，未解明な熱対流の複合物理現象の究明が期待できる．
感温液晶粒子を用いた流体計測で，非回転熱対流から回転熱対流に遷移する過程を定量的に調査した．これまで定性的な説明に留まっていた，段階的に生じる不安定性を複数のパラメータで体系的に調査した．学会2件と国内学会誌1報の発表に至った．
レインボー光照射による三次元速度場計測の第一段階として，二色レーザーを用いた二断面速度場計測を行った．一枚のカラー画像から二断面の密な粒子画像に分離することが可能となった．これを二台のカメラで同時に行うことで，速度三成分を計測した．
光学的可視化計測に特化した熱対流容器の設計・製作を行った．冷却面に厚さ1ミリ程度の化学強化ガラスを用いることで，高い伝熱性を維持したまま，可視化計測を行うことが可能となった．また，加熱部，冷却部，側壁部を独立に設計し，側壁を交換することで様々な容器形状での実験を可能とした．
段階的に手法の開発を行うことはできていないが，ロバストな計測原理の開発のため，温度場および速度場の計測法をそれぞれ独自に開発・適用することで，複数の未解明熱対流現象を調査することが出来ている．また，いずれの研究対象も学会発表・論文発表に至っており，上記のほか3報の英文誌を執筆中である．
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| Strategy for Future Research Activity |
製作した熱対流容器を使用し，回転・多層・内部発熱・組成等の複雑性を印可した熱対流現象を実現させる．それぞれの現象に固有の計測課題を見出し，逐次解決することによって，光学的可視化計測法の更なる機能拡充を行う．
回転対流を計測対象として，物理量を密な空間分布として計測する可視化計測によって，従来無視されてきた局所的な熱輸送特性の直接計測を行う．そのために一台あるいは最大で二台のカメラを用いた三次元温度場・速度場の同時計測法を確立する．感温液晶粒子を用いた三次元空間の可視化計測のために，デジタル光源を使用した白色アニメーション光の利用を検討する．
開発した三次元温度場・速度場計測法を多層対流に適用する．液化天然ガスタンクのロールオーバー現象を基礎実験によって模擬し，実地でモニタリング可能な指標を模索する．
ドイツ・ヘルムホルツセンターとの共同研究として，結晶化を伴う組成対流の実験研究を行う．境界温度条件などを変化させた体系的な実験を行うことで，結晶化を伴う熱対流のレジーム分類を行う．
各現象をそれぞれ独立して計測することで，共通の計測課題・固有の計測課題をそれぞれ明瞭にし，統合的な計測を行う際の骨格を組み立てる．また，この過程で明らかとなる各現象をそれぞれ学会発表および英文誌としてまとめる．
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| Remarks |
日本地球惑星科学連合大会2019における受賞（学会Webページ：http://www.jpgu.org/ospa/2019meeting/）
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Research Products
(9 results)
