2017 Fiscal Year Annual Research Report
Simultaneous temperature and velocity visualization of a gaseous flow over 1000 centigrade
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17H03177
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| Research Institution | National Institute of Advanced Industrial Science and Technology |
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Principal Investigator |
染矢 聡 国立研究開発法人産業技術総合研究所, エネルギー・環境領域, 研究グループ付 (00357336)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 流体計測 / 可視化 / 温度 / 蛍光体 / 燐光 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では，1000℃の高温ガスの温度と速度の分布を同時に可視化計測する技術を開発する．赤熱光の強くなる500℃～1000℃の温度範囲で，広範な流速条件，任意の気体に適用可能とするため二色燐光法とPIVを組み合わせた温度速度同時可視化を実現する．一般的なPIV法同様に蛍光体粒子を僅かな時間間隔で二回励起，撮像して粒子移動量から速度を求め，各励起直後の燐光スペクトルの二つの波長帯の強度比から温度を求める(二色燐光法)ことにより，温度速度を同時に可視化計測する．蛍光体粒子の光学特性を1500℃までの範囲で評価するとともに二波長分光ユニットの最適化を行い，時間分解能6μsを達成する．壁面衝突噴流の基礎実験によって開発手法の測定精度・適用可能範囲を評価する．
蛍光体粒子の発光特性測定し，高温条件において青～緑の波長成分の発光特性が強い温度依存性を示す蛍光体種を探索した．二色燐光法では，特定の波長帯の光を撮影した2枚の画像から強度比の分布を求める．この際，2枚の画像空間が完全には一致しないため，位置情報の既知な較正板を用いて，２画像の射影関数を求める． 光量のロスを最低限に抑えつつ，カメラのダイナミックレンジを有効活用可能な，分光カメラユニットを製作し，射影関数を求めて画像の空間マッチングを行ったところ，0.0001pixel以下の誤差で実現できた．
中空多孔質シリカ，蛍光体粒子の二種類の粒子をトレーサとして，LDV，一般的なPIV計測，燐光を用いたPIVを行い，トレーサの流体追随性とPIV解析精度を評価した．蛍光体粒子の燐光粒子像を利用することの影響について，一般的な粒子画像と，燐光粒子画像を用いたPIV速度解析を行い，燐光によって粒子像が伸びることが解析精度に与える影響を評価した．固体粒子の一様なシーディングが容易ではなく，定量性に課題が残ったが，定性的には再現性のある結果を得た．
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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
蛍光体粒子の発光特性測定し，高温条件において青～緑の波長成分の発光特性が強い温度依存性を示す蛍光体種を探索した．二色燐光法では，特定の波長帯の光を撮影した2枚の画像から強度比の分布を求める．この際，2枚の画像空間が完全には一致しないため，位置情報の既知な較正板を用いて，２画像の射影関数を求める． 光量のロスを最低限に抑えつつ，カメラのダイナミックレンジを有効活用可能な，分光カメラユニットを製作し，射影関数を求めて画像の空間マッチングを行ったところ，0.0001pixel以下の誤差で実現できた．
中空多孔質シリカ，蛍光体粒子の二種類の粒子をトレーサとして，LDV，一般的なPIV計測，燐光を用いたPIVを行い，トレーサの流体追随性とPIV解析精度を評価した．蛍光体粒子の燐光粒子像を利用することの影響について，一般的な粒子画像と，燐光粒子画像を用いたPIV速度解析を行い，燐光によって粒子像が伸びることが解析精度に与える影響を評価した．固体粒子の一様なシーディングが容易ではなく，定量性に課題が残ったが，定性的には再現性のある結果を得た．
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| Strategy for Future Research Activity |
温度校正にも利用する小型のガストーチからの高温空気に蛍光体粒子を混ぜて噴出し，冷却水を内部に循環させた銅ブロックの壁面に衝突させ，フィルタを通じて空気のみを排出する試験装置を作成する．ここでは流量やヒーター電圧，ガストーチ出口から壁面までの距離を変化させ，熱電対を用いて銅ブロック表面や高温空気流れの温度分布を評価し1000℃までの基礎試験用温度場を用意する．
蛍光体粒子を僅かな時間間隔で二回励起，撮像して粒子移動量から速度を求め，各励起直後の燐光スペクトルの二つの波長帯の強度比から温度を求めることにより，壁面衝突噴流の速度，温度分布を可視化計測する．高速応答薄膜温度計を設置し，可視化計測と同期することで高温空気の壁面衝突噴流の温度速度と壁面温度の同時計測を行う．
高温でシグナルノイズ比が低下する条件においても高精度に可視化を実現できる手法を開発する．気流計測への適用に先行して，まずは壁面温度計測を対象として，高精度撮像法を検討する．
SOFCシステムに開発手法を適用する．SOFCでは内部の構造物及びガス温度分布から，反応度の一様性やアノード，カソードガスの漏れを明らかにすることができる．両極間でのガス漏れはSOFCシステムの大きな課題となっており，SOFCの構造最適化のために解決しなくてはならない課題である．SOFCセル試験に適用し，開発手法の高温エネルギーシステムの高効率化試験への適用可能範囲を明らかにする．
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