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Development of measurement technique for liquid film thickness by using the optical fiber probe

Research Project

Project/Area Number 19K23485
Research Category

Grant-in-Aid for Research Activity Start-up

Allocation TypeMulti-year Fund
Review Section 0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
Research InstitutionShizuoka University

Principal Investigator

Mizushima Yuki  静岡大学, 工学部, 助教 (30844716)

Project Period (FY) 2019-08-30 – 2021-03-31
Project Status Completed (Fiscal Year 2020)
Budget Amount *help
¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2020: ¥260,000 (Direct Cost: ¥200,000、Indirect Cost: ¥60,000)
Fiscal Year 2019: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000)
Keywords光ファイバー / レーザー / 光線追跡 / 液膜流 / 液膜厚さ / 光ファイバープローブ / 液膜計測 / レイトレーシング / 光線追跡法
Outline of Research at the Start

本研究の目標は実機内でも実現可能な新しい液膜計測法の開発である。現代の機械加工技術の進歩は目覚ましく、効率・性能に優れる複雑形状が容易に製作出来るようになった。しかし、装置内部の測定はますます困難になり、高度な解析技術も信頼性を担保出来なくなってしまった。同様の状況は蒸気タービン翼面の液膜研究でも見られ、開発者を50年以上悩ませている。これまでに無い新しいアイデアでの計測が必要である。そこで、耐熱・耐食に優れる光ファイバーに先進グラフィックス技術を融合し、液膜計測用光ファイバーセンサを新たに開発する。これにより、従来法では困難な箇所における液膜厚さの高精度計測を実現する。

Outline of Final Research Achievements

In this research, a new optical measurement method for thin liquid films has been developed, which is difficult to be realized by conventional methods, by combining ray tracing, optical fiber and laser technologies.
In the proposed method, the optical fiber is inserted flush with the channel wall, and the thickness of the liquid film flowing through the optical fiber is measured without contact. The following steps were carried out without delay: (1) selection of the optimum design parameters for the sensor fabrication of the optical fiber probe for liquid film measurement using a ray-tracing simulator, (2) verification experiment using a quasi-liquid film, and (3) verification experiment measuring liquid film flow in a wind tunnel.

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

現行の液膜測定方法は、任意位置での液膜の厚さやその時間変動を実時間で捉えることが困難である。例えば、電気、超音波、レーザーを利用した膜厚測定が実用化されているが、時間分解能はkHzオーダーであり、界面が複雑に変動する場合等、測定される膜厚が時間平均的にならざるを得ない。加えて、実機環境ではS/N比の大幅な低下から十分な測定分解能を得られない。そのため、国内外のメーカー各社は多額の開発費を投じながらも、見えない液膜制御に苦慮しているのが実情である。
本研究で構築した方法は重電メーカーとの共同研究にも活用されており、新規な計測器の開発、という学術的意義と共に、企業ニーズへの貢献も果たすことが出来た。

Report

(3 results)
  • 2020 Annual Research Report   Final Research Report ( PDF )
  • 2019 Research-status Report
  • Research Products

    (10 results)

All 2021 2020 2019 Other

All Journal Article (1 results) (of which Peer Reviewed: 1 results,  Open Access: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 3 results) Remarks (1 results) Patent(Industrial Property Rights) (1 results)

  • [Journal Article] Accurate thin-film measurement method based on a distribution of laser intensity emitted from optical fiber: Proposal of step light emitted model for ray-tracing simulation2020

    • Author(s)
      Kampei YAMAGUCHI, Toshiyuki SANADA and Yuki MIZUSHIMA
    • Journal Title

      Mechanical Engineering Letters

      Volume: 6 Issue: 0 Pages: 20-00419-20-00419

    • DOI

      10.1299/mel.20-00419

    • NAID

      130007953816

    • ISSN
      2189-5236
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] A Novel Thickness Measurement Method of Liquid Film in Air Flow via Optical-Fiber-Based Reflective Probe2021

    • Author(s)
      Takayuki Okui, Toshiyuki Sanada, Yuki Mizushima, Shunsuke Mizumi, Soichiro Tabata
    • Organizer
      ASME Turbo-Expo 2021
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Development and optimization of Optical-fiber-based Reflectance Probe (ORP) for liquid-film thickness measurement2020

    • Author(s)
      Kampei Yamaguchi and Yuki Mizushima
    • Organizer
      The 73rd Annual Meeting of the American Physical Society's Division of Fluid Dynamics
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 3次元光線追跡シミュレータを用いた光ファイバーによる液膜厚さ計測法に関する考察2020

    • Author(s)
      山口寛平,水嶋祐基
    • Organizer
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 光ファイバープローブを用いた液膜流中での厚さ計測に関する考察2020

    • Author(s)
      奥井貴之,真田俊之,水嶋祐基
    • Organizer
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 光ファイバーを用いた液膜厚さ測定法に関する実験的研究2020

    • Author(s)
      川田竣哉,水嶋祐基
    • Organizer
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Presentation] 界面反射光を用いた単一光ファイバープローブによる液膜厚さ計測の開発2019

    • Author(s)
      水嶋祐基
    • Organizer
      日本混相流学会 混相流シンポジウム2019
    • Related Report
      2019 Research-status Report
  • [Presentation] New Development of a liquid film thickness measurement using pre-signal of a single tip optical fiber probe2019

    • Author(s)
      Yuki Mizushima
    • Organizer
      11th International Symposium on Measurement Techniques for Multiphase Flow
    • Related Report
      2019 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Remarks] 静岡大学教員データベース

    • URL

      https://tdb.shizuoka.ac.jp/rdb/public/Default2.aspx?id=11281&l=0

    • Related Report
      2020 Annual Research Report
  • [Patent(Industrial Property Rights)] 光ファイバープローブセンサーを用いた薄液膜厚さと液膜速度との同時測定方法,及び同センサーの較正方法2020

    • Inventor(s)
      水嶋,馬場,染矢,齋藤,田中,上山,水谷
    • Industrial Property Rights Holder
      水嶋,馬場,染矢,齋藤,田中,上山,水谷
    • Industrial Property Rights Type
      特許
    • Industrial Property Number
      2020-188100
    • Filing Date
      2020
    • Related Report
      2020 Annual Research Report

URL: 

Published: 2019-09-03   Modified: 2022-01-27  

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