2015 Fiscal Year Annual Research Report
４次元風圧場の感圧塗料計測技術の開発と風波表面の圧力変動場の解明
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15H04050
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| Research Institution | Kinki 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 立命館大学, 総合科学技術研究機構, 教授 (20088412)
中北 和之 国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構, 航空技術部門, 研究領域リーダ (50358595)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | 感圧塗料計測 / 高速ビデオカメラ / 波面上の圧力分布 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
感圧塗料（PSP: Pressure-Sensitive Paint）による固体壁面上の圧力場の可視化計測法が開発されてきた。特に，時間変動の蛍光計測には10マイクロ秒程度の減衰定数の多孔性極薄PSPが開発された。さらに表面が変位する場合は、レーザのパルス照射で生じる発光の減衰特性の画像計測が有力な計測手法となる。このような計測技術をLT-PSP（Life-time PSP）と呼ぶ。本研究では，この技術を風波面上の風圧場に適用し、風波表面の気体輸送のダイナミクスの解明に役立てることを最終目的としてLT-PSPによる計測法の開を行っている。本年度は以下のような成果を得た。
まず，LT-PSP計測のための感圧塗の特性を明らかにするため，ポルフィリン系のPtTFPPとPdTFPPの2種類の感圧塗料のLife Time特性に関する実験を行った。また，蛍光・燐光の減衰をホトマルチプライヤーとCMOSタイプの撮像素子をもつ高速ビデオカメラにより同時に計測を行い，高速ビデオカメラでも十分にLT-PSPで計測できることが分かった。また，高速ビデオカメラを用いてLT-PSPを行う場合の蛍光・燐光の減衰過程の適用範囲を実験的に求めた。
さらに，LT-PSP計測の基本的な計測手法として、高速カメラを用いた時間分解計測法と多重露光CCDカメラを用いたゲート法の２種類の計測技術について基本的な計測技術の確認を行うとともに、平成28年度のLife-time PSP試験に向けて、JAXAフラッタ風洞における模型強制加振装置の整備と、試験に用いる強制加振用２次元CRM模型の製作を行った。
LT-PSP計測に適した高速ビデオカメラとして30万画素、2千万枚／秒、連続100枚撮影の高感度裏面照射型の撮像素子を備えるビデオカメラが完成した。このカメラを用いて微弱光の高速度撮影テストを開始した。これを用いたDynamic PSP撮影の予備テストを行うことができる。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
LT-PSPの計測法に関する基礎部分はほぼ技術的に完成している。しかし，計測範囲が大気圧付近では計測精度が低くなることが新たに判明したため，波面上の圧力分布計測をLT-PSP法で行うための計測装置の改良が必要である。また，固定波面上の圧力分布を高速ビデオカメラで計測するための励起光等との制御や設置法の検討が必要となる。PTVによる壁面付近の計測アルゴリズムはほぼ対応できているが，トレーサーの改良において，実測に耐えうるものが出来ておらず，さらに検討する。
Dynamic PSP用として開発中の、32×32画素、1億枚／秒、連続1,120枚撮影の撮像素子の開発は、プロセス上のミスがあり、開発が1年遅れている。今年度中にはテストに供用できるようになる予定である。
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| Strategy for Future Research Activity |
○PSP 寿命計測カメラの開発：ISAS の試作カメラに前年度に開発した駆動ソフトを導入して LTPSP カメラにし、試験撮影を行って調整する。問題があれば改善する。試験撮影は急激に変化するLED照明によって行う。タイミングジェネレータで急速に周期変動するアナログ信号と、フェーズロック法の試験のため のトリガー信号を発生させ、照明との同期撮影を行う。
○リップル模型上の圧力計測：正弦波模型について静的 PSP 計測により、時間平均圧力場を求め、風下側の剥離範囲等について従来の結果と比較し、PSP 計測のリップル上の風圧場の計測性能を検証する。試作した LTPSP カメラを試験的に適用し、計測可能性の評価と改善のための課題を明らかにする。とくに圧力や風下側の剥離や再タッチ点の時間変動の検出の可能性を調べる。また圧力変動 の周期性を調べ、これに同期した画素内画像信号積算撮影の可能性を探る。
○粒子位置情報から界面近傍剪断力の直接計測：開発した界面に働くせん断力場の推定アルゴリズムと界面近傍の流速計測に適した照明および 粒子等の改良を行い、実測に用いて性能評価を行う。また、壁面付近の PTV 計測と PSP 計測の併用を可能にするトレーサ粒子の選択と散布法、及び 照明手段と時間的制御法の開発を試みる。この研究は研究期間の最後まで継続する。
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