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たみえたつざわ
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1 新潟大学大学院自然科学研究科環境科学専攻社会基盤建築学コース ( 建築系 ) 修士論文梗概平成 24 年度粒子画像流速測定法 (PIV) を用いた室内気流測定方法に関する基礎的研究 F11 E8A 楊暁韻指導教員赤林伸一教授 1 研究目的流れの可視化は古来より流れの特性を直感的に把握する手法として様々な測定法が試みられている近年画像処理技術の発展及びパソコンの性能向上により流れの可視化技術にデジタル画像処理技術を融合した粒子画像流速測定法 (Prticle Imge Velocimetry: 以下 PIV) が実用化されている PIV は熱線風速計等による従来の風速測定と異なり流れに対して非接触で多数の空間位置で同時に気流速度情報が得られる利点があるため従来の風速計では測定が困難な流れ場に対して有力な流れの解析手法の一つとして考えらてれる図 1に PIV 測定の原理を図 2に直接相互相関法の概要を示す PIV 測定は流れ場に微細なトレーサ粒子を混入させレーザーなどの光源をシート状に照射することで 2 次元の流れの可視化を行う可視化した流れ場を対象にトレーサ粒子の動きを高速度 CCD カメラで撮影し得られた可視化動画をデジタル画像処理することで気流速度情報を算出する直接相互相関法は異なる2 時刻の画像間で最初の時刻に取得した画像中の検査領域と最も濃度パターンの類似する領域を次時刻の画像中の探査領域内から探し出し流速ベクトルを算出する手法であり PIV 解析の主要な処理法の一つである現在一般的に利用されている PIV システムは機械工学の分野で比較的狭い範囲 (3cm 画像面 Y X 時刻 t レーザーシート撮像光学系トレーサ粒子時刻 t+δt 図 1 PIV 測定の原理測定領域 t 2 t 1 t + = t 3 Δt Δt Δt V 速度ベクトル時刻 t 検査領域時刻 t+δt 探査範囲可視化動画図 2 直接相互相関法の概要 3cm 程度 ) を対象としており実大の室内気流分布を PIV で実測した例はない PIV による実大の建物空間を対象とした測定が可能になれば建物室内の床から天井までの気流分布を空間的時系列的にシームレスなデータが得ることができる更に室内での人体等の移動回りの風速分布の計測や窓や扉が開閉する際の変動気流の測定等も可能になると考えられる本研究では実大室内空間を PIV で測定する基礎段階として縮尺 1/1 の模型を対象としてとの位置を変化させた場合の室内を対象とした PIV 測定を行い気流分布を明らかにする又近年注目を集めている無翼型扇風機は回転翼や大口径の吹出口等が存在しないにも関わらず従来の有翼型扇風機と比較して同様の性能を持っている実大空間において両扇風機を対象に PIV による風速測定を行い比較考察し気流性状の把握を行う次に一般的な室内天井埋込み型空調機である4 方向カセット型エアコンを対象とし定性的な流れの可視化及び PIV による定量的な流速ベクトルの測定を行い気流性状の特性を把握し数値流体解析を行う際の参考データを得ることを目的とする 2 縮尺室内模型を対象とした室内気流速度分布の PIV 測定 2.1 実験対象の概要図 3に実験装置の概要を示す室内模型は厚さ排気用ダクト b c レーザー (2W) 風向可視化測定領域 ( 模型中央断面 ) 高速度 CCD カメラレーザー (1W) 図 3 実験装置の概要レーザーシートリターン用フレキシブルダクト給気用縮流ダクト角丸ダクト A C DC 電源 A C は b c は PC 及びモニター給気ダクト金属パウダー供給装置 DC ファン ( 送風用 )

2 8mm のアクリル板で作成されており寸法は 6mm mm mm 両側面には 4mm 4mm のとがそれぞれ3ヶ所設置されている及びはそれぞれ模型上部から A C b cとして実験を行う室内模型は及びが設置された典型的な室内を再現した縮尺 1/1 のモデルであり室内において風速が速い部分と循環流が形成されることを意図して作成した給気ダクト内にはハニカムメッシュで作成された整流板と DC ファンを設置し模型内部に整流した空気を送風するからの風速の調整は DC ファンに接続する DC 電源の電圧を調整して行う 2.2 実験概要表 1に実験機器の詳細を表 2に PIV の測定可能最大風速を表 3に PIV 解析のパラメータを示す本研究の PIV 解析は直接相互相関法を用いる実際の長さと画像上の長さと換算値であるキャリブレーション値は.94mm/pixel であり探査範囲と撮影間隔から表 2に示す高速度 CCD カメラのフレームレート探査範囲測定可能最大風速の関係を算出する更に熱線風速計で付近の風速を計測し高速度 CCD カメラと PIV 解析の最適な測定パラメータを決定する表 1 実験機器の詳細 Cmer ハイスピードCCDカメラK-Ⅱ(64pixel 48pixel,fps) DPGL-2W LD 振起 Nd:YAG/YVO₄レーザー波長 532nm, 出力 2W ~3kHzで変調可能な連続光 Lser G LD 振起 Nd:YAG/YVO₄レーザー波長 532nm, 出力 1W ~1kHzで変調可能な連続光カメラ制御 Ditect K-Ⅱ ソフトウェア SoftWre PIV 解析 Flow-Expert ver1.12 表 2 PIV の測定可能最大風速測定可能最大風速 [m/s] フレームレート測定間隔 [fps] [ms] 探査範囲 [pixel] 測定対象領域画像サイズ測定時間測定間隔検査領域探査範囲表 3 PIV 解析パラメータ 6mm mm 64pixel 48pixel 1sec 5ms(fps) 23pixel 23pixel ±1pixel ±1pixel 表 4 各 cse におけるとの位置吹出風速 cse1 b cse2 1.5m/s cse3 A cse4 C 2.3 実験条件表 4に各 cse におけるとの位置を示す測定対象には縮尺室内模型を使用する本実験ではトレーサは極薄鱗片状の金属パウダーを使用し給気ダクト内に設置した金属パウダー供給装置を使用してシーディングを行う出力 2Wのレーザーを可視化領域全体に照射し出力 1Wのレーザーを付近に照射する本実験では表 4に示すとの位置をそれぞれ変化させ合計 4cse の実験を行う高速度 CCD カメラのフレームレートは fps に設定し 1 秒間の撮影をするの直後の風速は熱線風速計で測定し全ての測定 cse においての直後の風速が 1.5m/s 程度となるよう DC ファンを調整する 2.4 測定結果平均風速ベクトル図 4に各測定 cse における平均風速ベクトルを示す (1)cse1: b の中心高さであるYが mm を軸としてほぼ上下対称の風速ベクトルとなるから流入した気流は拡散しながら bに向かう付近での風速は約 1.5m/s であり付近では.5m/s となるからの噴流は幅が広くなり直接から吸い込まれない気流はの上部と下部の天井床面へ衝突し Xが mm Yが 5mm の位置及びXが mm Yが 35mm の位置を中心として対称の渦を形成する誤ベクトル率は.4% である (2)cse2: より流入した気流は拡散しながら壁面へ直進する壁面に衝突した気流は Xが~ mm Y が ~ mm 付近の位置で cse1 と同様の渦を形成しているが Xが~ mm Yが ~ mm 付近の位置では cse1 と異なり渦は形成されず気流はに誘引される風速ベクトルを示している測定対象領域の最大風速である直後の風速約 1.5m/s であり熱線風速計の値と同じ値で得られている誤ベクトル率は 2.69% である (3)cse3: A Aより流入した気流ほとんど拡散することなくへ直進するから吸い込まれなかった気流により側の壁面に沿って風速約.1m/s の下降気流が生じている Xが mm Yが 75mm の位置において渦を形成し Xが mm ~ mm 付近の模型底面より斜め上向きの気流性状となっている測定対象領域内最大風速である直後の風速は約 1.5m/s であ

3 [%] b b cse1: b cse1: b [%] cse2: 5 6 A 5 6 cse2: [%] A cse3: A cse3: A [%] cse4: C 5 6 図 4 各測定 cse における平均風速ベクトル C cse4: C 図 5 各測定 cse における乱れの強さ 5 6 C

4 り熱線風速計の値と同じ値が得られている誤ベクトル率は 1.28% である (4)cse4: C Cより流入した気流は徐々に風速は低下し模型底部から側壁面に沿ってに向かう X が 5 ~ 6mm Yが 5 ~ mm の範囲の風速は.1 ~.5m/s 程度であり模型全体に広がっている大きな循環流を形成している誤ベクトル率は 1.64% である乱れの強さ図 5に各測定 cse における乱れの強さの分布を示す乱れの強さは乱流の持つ乱れのエネルギーを表す尺度であり時系列データの統計処理から求める本実験では撮影対象範囲の全てのベクトル算出点において fps で 1 秒間の計個の各測定位置毎に平均速度成分で除することにより平均速度成分に対する乱れの強さを測定位置毎に求める算出式は以下となる uu ii,rrrrrr = NN uu ii,kk uu ii 2 kk=1 uu NN ii ここで i: 測定位置 [-] k: 時刻 [s] N : データ数 [-] u i : 平均風速 [m/s] ũ i,k : 瞬時風速 [m/s] (1)cse1: b Yが 15 ~ 25mm の領域では乱れの強さは 2% 程度と小さい傾向があり Xが 55 ~ 6mm のの上部と下部の位置に乱れの強さが % を超える (2)cse2: cse1 と比べて乱れの強さが大きい領域が広く分布する傾向にあるが全体的に cse1 とほぼ同様の乱れの強さの分布を示している (3)cse3: A からの気流はへ向かって直進するYが 35 ~ 45mm の領域において乱れの強さは 1 ~ 3% 程度の値である渦の中心があるXが mm Yが 75mm の領域とXが mm Yが mm 付近の領域において乱れの強さは大きい傾向があるそれ以外の領域で乱れの強さは 1 ~ 14% 程度の範囲に入る (4)cse4: C からの吹出し気流により相対的に風速の速い模型底部のYが~ 5mm の領域において乱れの強さは 3 ~ 4% 程度である領域全体で見ると下部周辺で乱れの強さが約 18% と大きな値を示している各測定 cse の乱れの強さの分布と見るとからの直進方向の領域では乱れの強さが小さくなる傾向がある一方模型の隅部の上下周辺領域及び循環流や渦の中心付近において乱れの強さが大きくなる傾向がある ₃ 空調装置を対象とした室内気流分布の PIV 測定 3.1 扇風機を対象とした PIV 測定 ( 実験 1) 実験概要図 6に扇風機の実験装置を表 5に扇風機の PIV 測定パラメータを表 6に PIV の測定可能最大風速を示す本実験で用いたトレーサ粒子は難燃性スモークとし測定対象は無翼型扇風機及び有翼型扇風機とする無翼型扇風機の吹出リングは直径 mm リング内の吹出スリットの幅は約 1.3mm であり測定対象と2 台のレーザー ( 出力 1W+2W) を正対させて設置し高速度 CCD カメラをトラバースに設置することで上部から水平断面を対象に測定を行うシーディングはいずれの測定対象もスモークジェネレーターにダクトを接続しトレーサ粒子を広範囲で一様に拡散できるようにした供給装置を用い測定対象の後方に設置してシーディングを行うキャリブレーション値は無翼型扇風機は mm/pixel 有翼型扇風機は 1.476mm/pixel である測定結果 (1) 無翼型扇風機図 7(1) に無翼型扇風機を対象とした平均風速ベクトルを示す無翼型扇風機は比較的少量の空気をリング状の開口部から高速で前方に吹出す様子が観察され Xが 6 ~ 75mm の撮影範囲の端部ではほぼ一様となる Xが~ 15mm では無翼型扇風機のリングに周囲の空気が誘引されているこれはリングに設置されたスリットから高速で空気を吹出すことでリング内部に負圧を発生させているためと考えられる無翼型扇風機は開口部から吹出した空気だけでなく周囲の空気を誘引して送り出すことで風量を増大させている吹出された気流は徐々に減速しながら次第に拡散していき全体として概ね左右対称となる流れ場を形成する (2) 有翼型扇風機図 7(2) に有翼型扇風機を対象とした平均風速ベクトルを示す Xが 225 ~ 6mm Yが 15 ~ 375mm では渦状の気流を交差しながら送り出し無翼型扇風機と比較して断続的な気流を生成する流れ場の中心部の速度は速いが周囲の空気を誘引する様子は観されない

3.2 天井埋込み型空調機を対象とした PIV 測定 ( 実験 2) 3.2.1 実験概要図 8に天井埋込み型空調機の実験装置を表 7に空調機の PIV 測定パラメータを表 8に PIV の測定可能最大風速を示す測定対象は73 73mmの4 方向天井カセット型エアコンとし吸気口は 45 45mm 吹出口は 65 46mm であるエアコンの風速は弱風に設定し冷房 18 と暖房 22 の設定で測定を行う測定中の吹出気流の平均温度は冷房 8.

6 である測定対象領域は1 箇所の吹出口とする出力が1Wと2W の2 台のレーザーは正対させて設置し上方に向けて測定対象に照射するトレーサは実験 1と同様に難燃性スモークを使用する測定は 5mm 間隔で中央部を cse1 とし端部を cse5 として冷暖房運転時で各 1 回ずつ計 1 回測定を行う本実験では空調機の吹出気流を主に測定するため

5 3.2 天井埋込み型空調機を対象とした PIV 測定 ( 実験 2) 実験概要図 8に天井埋込み型空調機の実験装置を表 7に空調機の PIV 測定パラメータを表 8に PIV の測定可能最大風速を示す測定対象は73 73mmの4 方向天井カセット型エアコンとし吸気口は 45 45mm 吹出口は 65 46mm であるエアコンの風速は弱風に設定し冷房 18 と暖房 22 の設定で測定を行う測定中の吹出気流の平均温度は冷房 8.6 暖房 34.2 であり吸込気流の平均温度は冷房 21.1 暖房 26.6 である測定対象領域は1 箇所の吹出口とする出力が1Wと2W の2 台のレーザーは正対させて設置し上方に向けて測定対象に照射するトレーサは実験 1と同様に難燃性スモークを使用する測定は 5mm 間隔で中央部を cse1 とし端部を cse5 として冷暖房運転時で各 1 回ずつ計 1 回測定を行う本実験では空調機の吹出気流を主に測定するためシーディングは吹出口に十分にトレーサ粒子を供給できるダクトを取り付けたスモークジェネレーターを使用して行うキャリブレーション値は.747mm/pixel である測定結果 (1) 冷房運転時中央断面図 9(1) に天井埋込み型空調機の冷房運転時中央断面の平均風速ベクトルを示す測定対象が吸気口か画像サイズ測定時間測定間隔検査領域探査範囲測定対象表 5 扇風機の PIV 測定パラメータフレームレート [fps] 測定間隔 [ms] 64pixel 48pixel キャリブレーション値 [mm/pixel] 24sec 5ms(fps) 23pixel 23pixel ±1pixel ±1pixel 表 6 PIV の測定可能最大風速測定可能最大風速 [m/s] 探査範囲 [pixel] 無翼型扇風機有翼型扇風機ら吸引した空気を吹出口から吹出す様子が観察される Xが ~ 375mm Yが 45mm の吹出口付近では風速 1.m/s 程度の比較的速い気流が生成され気流が周囲に拡散する様子は殆ど観察されない又流れ場の中心部では風速が最も速く 2.m/s 程度となる Xが 525 ~ 9mm において気流は徐々に減速し Xが 675 ~ 9mm では風速.5 ~ 1.m/s 程度となり気流が周囲に拡散する様子が観察される (2) 暖房運転時中央断面図 9(2) に天井埋込み型空調機の暖房運転時中央断面の平均風速ベクトルを示す冷房運転時と同様に吹出口付近の気流は風速 1.m/s 程度であり周囲に拡散する様子は殆ど観察されない流れ場の中心部で風速が最も速く 2.m/s となる暖房運転時では吹出された気流は次第に上方に反るような気流となり Xが 45 ~ 9mm では天井面を沿って流れる気流を形成する ₄ 結論 (1) 縮尺室内模型における室内気流速度分布の開口位置を変化させた場合の PIV 測定 1 cse1 はの中心高さであるYが mm を軸 2.[m/s] [m/s] (1) 無翼型扇風機トラバース装置高速度 CCD カメラスモーク 45 トラバース台撮影方向 1W レーザーレーザーシートスモークジェネレーター 15 2W レーザー無翼型扇風機 PC 及びモニター図 6 扇風機の実験装置 (2) 有翼型扇風機図 7 扇風機を対象とした平均風速ベクトル

としてほぼ上下対称の風速ベクトルとなる吹出口から流入した気流は拡散しながらに向かう拡散して排出されなかった気流は側の模型側面に衝突して対称的な渦を形成する 2 cse2 はから流入した気流は拡散しながら側面に向かいそこで衝突した気流は渦を形成するが X が ~ mm Y が ~ mm では cse1 と異なり渦は形成されない 3 cse3

5m/s 程度であり模型全体に広げる大きな循環流を形成する 5 乱れの強さは全体的にからの直進方向の領域では乱れの強さが小さくなる傾向がある一方室内模型の隅部の上下周辺領域及び循環流や渦の中心付近において乱れの強さが大きくなる傾向がある (2) 扇風機を対象とした室内気流分布の PIV 測定.

6 としてほぼ上下対称の風速ベクトルとなる吹出口から流入した気流は拡散しながらに向かう拡散して排出されなかった気流は側の模型側面に衝突して対称的な渦を形成する 2 cse2 はから流入した気流は拡散しながら側面に向かいそこで衝突した気流は渦を形成するが X が ~ mm Y が ~ mm では cse1 と異なり渦は形成されない 3 cse3 はから流入した気流は殆ど拡散されることなくに向かうから排出されなかった気流は壁面に沿って約.1m/s の流速で下降しほぼ模型全体を対象とした対流が生じる 4 cse4 はより流入した気流は徐々に速度は低下し模型の内壁に沿ってに向かう流速は.1 ~.5m/s 程度であり模型全体に広げる大きな循環流を形成する 5 乱れの強さは全体的にからの直進方向の領域では乱れの強さが小さくなる傾向がある一方室内模型の隅部の上下周辺領域及び循環流や渦の中心付近において乱れの強さが大きくなる傾向がある (2) 扇風機を対象とした室内気流分布の PIV 測定. 無翼型扇風機 1 無翼型扇風機においてリングに設置されたスリット画像サイズ測定時間測定間隔検査領域探査範囲測定対象天井埋込み型空調機表 7 空調機の PIV 測定パラメータフレームレート [fps] 測定間隔 [ms] 測定対象領域 64pixel 48pixel キャリブレーション値 [mm/pixel] 24sec 5ms(fps) 33pixel 33pixel ±15pixel ±15pixel 表 8 PIV の測定可能最大風速天井埋め込み型空調機レーザーシート測定可能最大風速 [m/s] 探査範囲 [pixel] スモークジェネレーターから吹出された空気は次第に減速しながら拡散していき全体として左右対称の流れ場となる 2 無翼型扇風機はリングに設置されたスリットから高速で空気を吹出すことによりリング内部に負圧を発生させ周囲の空気を誘引することで風量を増大させる b. 有翼型扇風機 1 有翼型扇風機は自身の回転翼を高速で回転させることで断続的な空気を送り出す 2 有翼型扇風機では流れ場の中心部の速度は速いが周囲の空気を誘引する様子は観察されない (3) 天井埋込み型空調機を対象とした PIV 測定 1 吹出された気流は風速 1.m/s 程度であり周囲に拡散する様子は殆ど観察されない又吹出された気流は冷房運転時及び暖房運転時共に流れ場の中心部において風速が最も速く 2.m/s 程度となる 2 冷房運転時では流れ場の端部では風速.5 ~ 1.m/s 程度となり気流が周囲に拡散する様子が観察される 3 暖房運転時では吹出された気流は次第に上方に反るような気流となり天井面を沿って流れる気流を形成する 2.5[m/s] 6 吸込口吹出口 (1) 冷房運転時中央断面 2.5[m/s] 6 吸込口 45 天井吹出口天井 75 9 高速度 CCD カメラダクト 1W レーザー 15 2W レーザーモニター PC 図 8 天井埋込み型空調機の実験装置 (2) 暖房運転時中央断面図 9 天井埋込み型空調機の平均風速ベクトル

粒子画像流速測定法を用いた室内流速測定法に関する研究

粒子画像流速測定法を用いた室内流速測定法に関する研究可視化手法を用いた室内気流分布の測定法に関する研究 -PIV を用いた通風時及び空調吹出気流の測定 - T08K729D 大久保肇指導教員赤林伸一教授流れの可視化は古来より流れの特性を直感的に把握する手法として様々な測定法が試みられている近年の画像処理技術の発展及び PC の性能向上により粒子画像流速測定法 (PIV ) が実用化されている Particle Image Velocimetry