特開 2024-30191 流体測定装置、流体測定方法および流体測定プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024030191

(43)【公開日】2024-03-07

(54)【発明の名称】流体測定装置、流体測定方法および流体測定プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01P 5/20 20060101AFI20240229BHJP

   G01P 13/00 20060101ALI20240229BHJP

【ＦＩ】

G01P5/20 F

G01P13/00 E

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022132815

(22)【出願日】2022-08-23

【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 日本エアロゾル学会、第３８回エアロゾル科学・技術研究討論会プログラム、「ＹＢ３０３ 複数断面内の二次元流れデータからの三次元流れ場の導出」、２０２１年８月２６～２７日 公益社団法人日本空気清浄協会、第３９回空気清浄とコンタミネーションコントロール研究大会予稿集、第１６１～１６３頁、「Ａ－２１ 複数断面内の二次元流れデータからの三次元流れ場の導出」、２０２２年４月１２～１３日 日本エアロゾル学会、第３９回エアロゾル科学・技術研究討論会講演要旨集、「ＹＰ１３ 複数断面内の二次元流れデータからの三次元流れ場の導出（２）」、２０２２年８月３～５日

(71)【出願人】

【識別番号】512094410

【氏名又は名称】西華デジタルイメージ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100097102

【弁理士】

【氏名又は名称】吉澤 敬夫

(74)【代理人】

【識別番号】100098796

【弁理士】

【氏名又は名称】新井 全

(74)【代理人】

【識別番号】100121647

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 和孝

(74)【代理人】

【識別番号】100187377

【弁理士】

【氏名又は名称】芳野 理之

(72)【発明者】

【氏名】諏訪 好英

(72)【発明者】

【氏名】中村 健一

(72)【発明者】

【氏名】町井 潤

(72)【発明者】

【氏名】安木 政史

【テーマコード（参考）】

2F034

【Ｆターム（参考）】

2F034AA03

2F034AB03

2F034DA07

2F034DA15

2F034DB07

2F034DB14

(57)【要約】

【課題】レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる流体測定装置、流体測定方法および流体測定プログラムを提供すること。
【解決手段】流体測定装置２は、対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成するレーザ光照射部２５と、レーザシート光が流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する撮像部２７と、撮像部２７により撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行しレーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における粒子の速度を算出するコンピュータ２１と、を備える。コンピュータ２１は、対象領域を複数のセルに分割し、解析アルゴリズムにより算出された速度に基づいてセルを流れる流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、その総和に基づいて速度を補正することにより測定断面に交差する方向における速度を算出する制御を実行する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置であって、
前記対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成するレーザ光照射部と、
前記レーザシート光が前記流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する撮像部と、
前記撮像部により撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し前記レーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における前記粒子の速度を算出するコンピュータと、
を備え、
前記コンピュータは、前記対象領域を複数のセルに分割し、前記解析アルゴリズムにより算出された前記速度に基づいて前記セルを流れる前記流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、前記総和に基づいて前記速度を補正することにより前記測定断面に交差する方向における前記速度を算出する制御を実行することを特徴とする流体測定装置。

【請求項2】

対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置が実行する流体測定方法であって、
前記対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成する第１ステップと、
前記レーザシート光が前記流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する第２ステップと、
前記第２ステップにおいて撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し前記レーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における前記粒子の速度を算出する第３ステップと、
前記対象領域を複数のセルに分割し、前記解析アルゴリズムにより算出された前記速度に基づいて前記セルを流れる前記流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、前記総和に基づいて前記速度を補正することにより前記測定断面に交差する方向における前記速度を算出する第４ステップと、
を備えたことを特徴する流体測定方法。

【請求項3】

対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置のコンピュータによって実行される流体測定プログラムであって、
前記コンピュータに、
前記対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成する第１ステップと、
前記レーザシート光が前記流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する第２ステップと、
前記第２ステップにおいて撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し前記レーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における前記粒子の速度を算出する第３ステップと、
前記対象領域を複数のセルに分割し、前記解析アルゴリズムにより算出された前記速度に基づいて前記セルを流れる前記流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、前記総和に基づいて前記速度を補正することにより前記測定断面に交差する方向における前記速度を算出する第４ステップと、
を実行させることを特徴する流体測定プログラム。

【請求項4】

前記第４ステップは、前記総和が正である場合には前記流入流量を増加させるように前記速度を補正し、前記総和が負である場合には前記流出流量を増加させるように前記速度を補正する第１操作と、前記第１操作を前記複数のセルのすべてについて反復し、前記複数のセルのすべてにおける前記総和が所定閾値よりも小さくなると前記反復を停止する第２操作と、を実行することを特徴とする請求項３に記載の流体測定プログラム。

【請求項5】

前記第４ステップにおいて、前記対象領域を前記複数のセルに分割する際に、前記測定断面の一部を含む第１セルと、互いに隣り合う複数の前記測定断面の間に設定され前記測定断面を含まない第２セルと、を設定し、前記セルを流れる前記流体の前記流入流量と前記流出流量との前記総和に基づいて前記速度を補正することにより、前記速度のデータを持たない箇所においても連続の式を満たす三次元流れ場を算出することを特徴とする請求項３に記載の流体測定プログラム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置、流体測定方法および流体測定プログラムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１に開示された流体測定装置のように、トレーサ粒子等を混入させた流動場に対してレーザ光を照射し、レーザ光が照射された流体の粒子を含む空間をカメラで微小時間差をつけて撮像し、カメラによって撮像された複数の画像を解析することで、流動場の流速や圧力分布等を二次元的または三次元的に測定する装置が知られている。

【0003】

特許文献１に開示されたような流体測定装置の測定方式の例として、流動場にシート状のレーザ光を形成し、シート状のレーザ光が流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を１台のカメラが微小時間差をつけて撮像することで、シート状のレーザ光の面方向における粒子の速度等を測定する二次元二成分（2dimensional 2components）の方式が存在する。しかし、二次元二成分の方式の流体測定装置では、シート状のレーザ光の面方向における二次元速度データしか得られず、シート状のレーザ光の面に交差する方向における二次元速度データを得ることができないという点において改善の余地がある。さらに、連続の式が満たされないため、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができない点において改善の余地がある。

【0004】

また、流体測定装置の測定方式の他の例として、シート状のレーザ光が流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を２台のカメラのそれぞれが微小時間差をつけて撮像することで、所定の解析アルゴリズムを用いて、シート状のレーザ光の面方向と面に直交する方向の三速度成分を測定する二次元三成分（2dimensional 3components）の方式が存在する。また、三次元の流速等を測定する方法としては、流動場にレーザ光で立体的空間を形成して、立体的空間を複数のカメラで撮像し、所定の解析アルゴリズムを用いて三次元の三速度成分を測定する三次元三成分（3dimensional 3components）の方式が存在する。しかし、二次元三成分および三次元三成分の方式の流体測定装置では、２台以上のカメラが必要であるため、流体測定装置の小型化が困難である点や解析時間の短縮化が困難である点において改善の余地がある。また三次元三成分の流体測定方法では、三次元的な奥行き方向に分散する流体粒子を追跡する必要があるため、カメラの焦点深度以上に深い奥行きのある領域に適用することは困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１７－２０７８９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

本発明は、前記事情に鑑みてなされたものであり、レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる流体測定装置、流体測定方法および流体測定プログラムを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の第１態様は、対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置であって、前記対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成するレーザ光照射部と、前記レーザシート光が前記流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する撮像部と、前記撮像部により撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し前記レーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における前記粒子の速度を算出するコンピュータと、を備え、前記コンピュータは、前記対象領域を複数のセルに分割し、前記解析アルゴリズムにより算出された前記速度に基づいて前記セルを流れる前記流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、前記総和に基づいて前記速度を補正することにより前記測定断面に交差する方向における前記速度を算出する制御を実行することを特徴とする流体測定装置である。

【0008】

本発明の第１態様によれば、コンピュータは、撮像部により撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し、シート状のレーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における流体の粒子の速度を算出する。また、コンピュータは、対象領域を複数のセルに分割し、解析アルゴリズムにより算出された速度すなわち測定断面に沿った方向における速度に基づいてセルを流れる流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、流入流量と流出流量との総和に基づいて速度を補正する。これにより、コンピュータは、測定断面に交差する方向における速度を算出する。つまり、コンピュータは、セルを流れる流体の流量の連続性を満足するように粒子の速度を補正することにより、複数の画像データに基づいた解析アルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度を導出することができる。これにより、本発明の第１態様に係る流体測定装置は、レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。また、算出された三次元流れ場の速度データが連続性を満足するため、本発明の第１態様に係る流体測定装置は、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができる。さらに、本発明の第１態様に係る流体測定装置は、１つの撮像部によって撮像された複数の画像データに基づいて、レーザシート光の面方向における二次元速度データから三次元流れ場を算出できるため、計算の収束の早期化を図り、解析時間の短縮化を図ることができる。

【0009】

本発明の第２態様は、対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置が実行する流体測定方法であって、前記対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成する第１ステップと、前記レーザシート光が前記流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する第２ステップと、前記第２ステップにおいて撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し前記レーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における前記粒子の速度を算出する第３ステップと、前記対象領域を複数のセルに分割し、前記解析アルゴリズムにより算出された前記速度に基づいて前記セルを流れる前記流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、前記総和に基づいて前記速度を補正することにより前記測定断面に交差する方向における前記速度を算出する第４ステップと、を備えたことを特徴する流体測定方法である。

【0010】

本発明の第２態様によれば、撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し、シート状のレーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における流体の粒子の速度を算出する。また、対象領域を複数のセルに分割し、解析アルゴリズムにより算出された速度すなわち測定断面に沿った方向における速度に基づいてセルを流れる流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、流入流量と流出流量との総和に基づいて速度を補正する。これにより、測定断面に交差する方向における速度を算出する。つまり、セルを流れる流体の流量の連続性を満足するように粒子の速度を補正することにより、複数の画像データに基づいた解析アルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度を導出することができる。これにより、本発明の第２態様に係る流体測定方法では、レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。また、算出された三次元流れ場の速度データが連続性を満足するため、本発明の第２態様に係る流体測定方法では、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができる。さらに、本発明の第２態様に係る流体測定方法では、１つの撮像部によって撮像された複数の画像データに基づいて、レーザシート光の面方向における二次元速度データから三次元流れ場を算出できるため、計算の収束の早期化を図り、解析時間の短縮化を図ることができる。

【0011】

本発明の第３態様は、対象領域を流れる流体の三次元流れ場を算出する流体測定装置のコンピュータによって実行される流体測定プログラムであって、前記コンピュータに、前記対象領域にレーザ光を照射しシート状のレーザシート光を形成する第１ステップと、前記レーザシート光が前記流体の粒子に当たることにより発生した散乱光を撮像する第２ステップと、前記第２ステップにおいて撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し前記レーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における前記粒子の速度を算出する第３ステップと、前記対象領域を複数のセルに分割し、前記解析アルゴリズムにより算出された前記速度に基づいて前記セルを流れる前記流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、前記総和に基づいて前記速度を補正することにより前記測定断面に交差する方向における前記速度を算出する第４ステップと、を実行させることを特徴する流体測定プログラムである。

【0012】

本発明の第３態様によれば、コンピュータは、撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し、シート状のレーザシート光に含まれる測定断面に沿った方向における流体の粒子の速度を算出する。また、コンピュータは、対象領域を複数のセルに分割し、解析アルゴリズムにより算出された速度すなわち測定断面に沿った方向における速度に基づいてセルを流れる流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、流入流量と流出流量との総和に基づいて速度を補正する。これにより、コンピュータは、測定断面に交差する方向における速度を算出する。つまり、コンピュータは、セルを流れる流体の流量の連続性を満足するように粒子の速度を補正することにより、複数の画像データに基づいた解析アルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度を導出することができる。これにより、本発明の第３態様に係る流体測定装プログラムでは、レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。また、算出された三次元流れ場の速度データが連続性を満足するため、本発明の第３態様に係る流体測定プログラムでは、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができる。さらに、本発明の第３態様に係る流体測定プログラムでは、１つの撮像部によって撮像された複数の画像データに基づいて、レーザシート光の面方向における二次元速度データから三次元流れ場を算出できるため、計算の収束の早期化を図り、解析時間の短縮化を図ることができる。

【0013】

本発明の第４態様は、本発明の第３態様において、前記第４ステップは、前記総和が正である場合には前記流入流量を増加させるように前記速度を補正し、前記総和が負である場合には前記流出流量を増加させるように前記速度を補正する第１操作と、前記第１操作を前記複数のセルのすべてについて反復し、前記複数のセルのすべてにおける前記総和が所定閾値よりも小さくなると前記反復を停止する第２操作と、を実行することを特徴とする流体測定プログラムである。

【0014】

本発明の第４態様によれば、コンピュータは、流入流量と流出流量との総和が正である場合すなわちセルから流出する流量がセルに流入する流量よりも多い場合には、セルに流入する流量を増加させるように速度を補正する。一方で、コンピュータは、流入流量と流出流量との総和が負である場合すなわちセルに流入する流量がセルから流出する流量よりも多い場合には、セルから流出する流量を増加させるように速度を補正する。また、コンピュータは、このような補正を複数のセルのすべてについて反復し、複数のセルのすべてにおける流入流量と流出流量との総和が所定閾値よりも小さくなると補正の反復を停止する。これにより、コンピュータは、セルを流れる流体の流量の連続性をより高い精度で満足するように粒子の速度を補正することができ、複数の画像データに基づいた解析アルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度をより高い精度で導出することができる。これにより、本発明の第４態様に係る流体測定プログラムでは、レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場をより高い解像度で算出することができる。また、コンピュータは、対象領域の全体にわたってレーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場をより高い解像度で算出することができる。

【0015】

本発明の第５態様は、本発明の第３態様または第４態様において、前記第４ステップにおいて、前記対象領域を前記複数のセルに分割する際に、前記測定断面の一部を含む第１セルと、互いに隣り合う複数の前記測定断面の間に設定され前記測定断面を含まない第２セルと、を設定し、前記セルを流れる前記流体の前記流入流量と前記流出流量との前記総和に基づいて前記速度を補正することにより、前記速度のデータを持たない箇所においても連続の式を満たす三次元流れ場を算出することを特徴とする流体測定プログラムである。

【0016】

本発明の第５態様によれば、速度ベクトルの空間分解能を測定データ以上に高めることができる。

【0017】

具体例を説明すると、複数のセルが、第１測定断面から第２測定断面を介し第３測定断面に向かってこの順に形成されている。第１セルは、第１測定断面の一部を含む。第１セルの第２端部は、第１測定断面と第２測定断面との中間よりも第１測定断面に寄った位置に存在する。

【0018】

第２セルは、互いに隣り合う第１測定断面と第２測定断面との間に設定され、いずれの測定断面を含まない。つまり、第２セルに含まれる断面は、第１測定断面および第２測定断面の一部ではない。

【0019】

第３セルは、第２測定断面の一部を含む。第３セルの第１端部は、第１測定断面と第２測定断面との中間よりも第２測定断面に寄った位置に存在する。第３セルの第２端部は、第２測定断面と第３測定断面との中間よりも第２測定断面に寄った位置に存在する。

【0020】

第４セルは、互いに隣り合う第２測定断面と第３測定断面との間に設定され、いずれの測定断面を含まない。つまり、第４セルに含まれる断面は、第２測定断面および第３測定断面の一部ではない。

【0021】

第５セルは、第３測定断面の一部を含む。第５セルの第１端部は、第２測定断面と第３測定断面との中間よりも第３測定断面に寄った位置に存在する。

【0022】

本具体例に係る流体測定装置によれば、複数のセルは、測定断面の一部を含むセル（第１セル、第３セル、第５セル）と、互いに隣り合う複数の測定断面の間に設定され測定断面を含まないセル（第２セル、第４セル）と、の両方を有する。これにより、コンピュータは、対象領域において三次元流れ場の空間補間を行うことができ、三次元流れ場をより一層高い解像度で算出することができる。

【発明の効果】

【0023】

本発明によれば、レーザシート光の面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる流体測定装置、流体測定方法および流体測定プログラムを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】本発明の実施形態に係る流体測定装置の要部構成を表す斜視図である。

【図2】本実施形態に係る流体測定装置の要部構成を表すブロック図である。

【図3】本実施形態に係る流体測定方法を説明するフローチャートである。

【図4】本実施形態の測定断面とセルとを表す斜視図である。

【図5】本実施形態のコンピュータが三次元流れ場を算出する計算の概要を説明するセル模式図である。

【図6】セルから流出する流量がセルに流入する流量よりも多い場合を説明するセル模式図である。

【図7】セルに流入する流量がセルから流出する流量よりも多い場合を説明するセル模式図である。

【図8】互いに隣接するセルを説明するセル模式図である。

【図9】本実施形態の測定断面の生成形態の第１具体例を表す斜視図である。

【図10】本実施形態の測定断面の生成形態の第２具体例を表す斜視図である。

【図11】本実施形態の複数のセルの生成形態の他の例を表す斜視図である。

【図12】気体が発熱体から自然対流により流れる具体例を説明する模式図である。

【図13】ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルを例示する図である。

【図14】図１３に表した範囲Ａ３１を流体の主流の方向に沿って眺めたときの図である。

【図15】本発明者が実施した解析の結果の第１例を例示する図である。

【図16】本発明者が実施した解析の結果の第２例を例示する図である。

【図17】本発明者が実施した解析の結果の第３例を例示する図である。

【図18】本発明者が実施した解析の結果の第４例を例示する図である。

【図19】本発明者が実施した解析の結果の第５例を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0025】

以下に、本発明の好ましい実施形態を、図面を参照して詳しく説明する。
なお、以下に説明する実施形態は、本発明の好適な具体例であるから、技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は、以下の説明において特に本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。また、各図面中、同様の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0026】

図１は、本発明の実施形態に係る流体測定装置の要部構成を表す斜視図である。
図２は、本実施形態に係る流体測定装置の要部構成を表すブロック図である。

【0027】

本実施形態に係る流体測定装置２は、二次元二成分（2dimensional 2components）の方式で流速を測定する装置である。図１に表したように、流体測定装置２は、トレーサ粒子などが混入された対象領域（流動場）５にレーザ光ＬＢを照射し、被撮像空間にシート状のレーザシート光ＳＰを形成する。そして、流体測定装置２は、対象領域５を流れる流体の粒子にレーザシート光ＳＰが当たることにより発生した散乱光をカメラ２７で撮像し、レーザシート光ＳＰの面方向における粒子の速度を測定する。本実施形態のカメラ２７は、本発明の「撮像部」の一例である。

【0028】

より具体的に説明すると、図２に表したように、流体測定装置２は、コンピュータ２１と、コントローラ２２と、レーザ電源２３と、レーザ発振部２４と、レーザ光照射部２５と、カメラ電源２６と、カメラ２７と、記憶部２８と、を備える。

【0029】

コンピュータ２１は、カメラ２７により撮像された複数の画像データに基づいて解析アルゴリズムを実行し、レーザシート光ＳＰに含まれる測定断面３に沿った方向における粒子の速度を算出する。すなわち、コンピュータ２１は、微小時間差をおいて照射されたレーザ光ＬＢの照射タイミングと同じタイミングで撮像されカメラ２７から送信された２枚の画像データを解析することにより、レーザシート光ＳＰに含まれる測定断面３に沿った方向における粒子の速度を算出する。

【0030】

コンピュータ２１は、記憶部２８に格納（記憶）されているプログラム２８１を実行することにより、前述した解析アルゴリズムを実行する。コンピュータ２１によって実行されるプログラム２８１は、本発明の「流体測定プログラム」の一例である。流体測定装置２のプログラム２８１は、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に予め格納され頒布されてもよく、あるいはネットワークを介して流体測定装置２にダウンロードされてもよい。

【0031】

本実施形態のコンピュータ２１とは、パソコンには限定されず、流体測定装置２に含まれる演算処理装置やマイコンなどを含み、プログラムによって本実施形態の機能を実現することが可能な機器や装置を総称している。記憶部２８としては、例えば、流体測定装置２に内蔵された半導体メモリなどが挙げられる。あるいは、記憶部２８としては、流体測定装置２に接続可能なＣＤ（Compact Disc）、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＲＡＭ（Random access memory）、ＲＯＭ（Read only memory）、ハードディスク、メモリカードなどの種々の記憶媒体が挙げられる。

【0032】

コントローラ２２は、カメラ電源２６とレーザ電源２３とを同期させることで、レーザ発振部２４がレーザ光を発振するタイミングと、カメラ２７が被撮像空間を撮影するタイミングと、を同期させている。これにより、レーザ光ＬＢの照射タイミングと、カメラ２７の撮像タイミングと、が互いに合致する。また、コントローラ２２は、コンピュータ２１に接続され、カメラ２７によって撮影された画像データをコンピュータ２１に送信する。

【0033】

レーザ電源２３は、レーザ発振部２４に電源を供給し、パルスレーザのパルス幅に対応して通電する。また、レーザ電源２３は、コントローラ２２に接続されている。
レーザ発振部２４は、レーザ光を発振させる装置である。レーザ発振部２４が発振したレーザ光は、例えば光ファイバーケーブルなどを介して、対象領域５の被撮像空間に向かって面状のレーザ光ＬＢとなるように照射される。本実施形態のレーザ光ＬＢとしては、ダブルパルスレーザなどが挙げられ、具体的には例えば５３２ｎｍの波長のＹＡＧレーザなどが挙げられる。

【0034】

レーザ光照射部２５は、例えば光ファイバーケーブルを介してレーザ発振部２４から導かれたレーザ光をシート状のレーザシート光ＳＰとして照射する。レーザ光照射部２５は、シート光形成部（図示せず）と、屈曲光学部（図示せず）と、を有する。シート光形成部は、レーザシート光ＳＰを生成するための光学系であり、例えば凸シリンドリカルレンズなどの光学系レンズを有する。屈曲光学部は、図１に表したように、レーザ発振部２４から導かれたレーザ光を屈曲させ、被撮像空間に向けてレーザ光ＬＢを照射するための光学系であり、例えばプリズムやキューブミラーなどを有する。

【0035】

図１に表したように、レーザ光照射部２５は、対象領域５を流れる流体の主流Ａ１、Ａ２、Ａ３を横断する方向に沿った測定断面３を有するレーザシート光ＳＰを生成する。主流Ａ１、Ａ２、Ａ３を横断する方向とは、すなわち主流Ａ１、Ａ２、Ａ３に交差する方向である。あるいは、レーザ光照射部２５は、対象領域５を流れる流体の主流Ａ１、Ａ２、Ａ３の方向に沿った測定断面３を有するレーザシート光ＳＰを生成する。後述するように、測定断面３の生成方向は、任意である。

【0036】

カメラ電源２６は、カメラ２７に電気的に接続されており、カメラ２７に電源を供給する。また、カメラ電源２６は、カメラ２７との間で信号の送受信を行う。さらに、カメラ電源２６は、コントローラ２２に接続されている。
カメラ２７は、対象領域５を流れる流体の粒子にレーザシート光ＳＰが当たることにより発生した散乱光を撮像する。カメラ２７としては、デジタル式のＣＯＭＳカメラやＣＣＤカメラなどが挙げられる。

【0037】

ここで、本実施形態に係る流体測定装置２のような二次元二成分の方式の流体測定装置では、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データしか得られず、レーザシート光ＳＰの面に交差する方向における二次元速度データを得ることができない。また、連続の式が満たされないため、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができない。一方で、二次元三成分（2dimensional 3components）の方式の流体測定装置によれば、レーザシート光ＳＰの面方向とレーザシート光ＳＰの面に直交する方向の三速度成分を測定することができる。しかし、二次元三成分の方式の流体測定装置では、２台以上のカメラが必要であるため、流体測定装置の小型化が困難である。

【0038】

これに対して、本実施形態に係る流体測定装置２のコンピュータ２１は、対象領域５を複数のセル４（図４参照）に分割し、前述した解析アルゴリズムにより算出された粒子の速度に基づいてセル４を流れる流体の流量の変化を算出し、流量の変化に基づいて粒子の速度を補正することにより測定断面３に交差する方向における粒子の速度を算出する制御を実行する。

【0039】

これにより、本実施形態に係る流体測定装置２は、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。また、算出された三次元流れ場の速度データが連続性を満足するため、本実施形態に係る流体測定装置２は、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができる。さらに、本実施形態に係る流体測定装置２は、１つのカメラ２７によって撮像された複数の画像データに基づいて、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データから三次元流れ場を算出できるため、計算の収束の早期化を図り、解析時間の短縮化を図ることができる。

【0040】

以下、本実施形態に係る流体測定装置２の動作すなわち本実施形態に係る流体測定方法を、図面を参照してさらに説明する。
図３は、本実施形態に係る流体測定方法を説明するフローチャートである。
図４は、本実施形態の測定断面とセルとを表す斜視図である。
図５は、本実施形態のコンピュータが三次元流れ場を算出する計算の概要を説明するセル模式図である。
図６は、セルから流出する流量がセルに流入する流量よりも多い場合を説明するセル模式図である。
図７は、セルに流入する流量がセルから流出する流量よりも多い場合を説明するセル模式図である。
図８は、互いに隣接するセルを説明するセル模式図である。

【0041】

図３に表したステップＳ１１において、まず、レーザ光照射部２５は、対象領域５にレーザ光ＬＢを照射し、シート状のレーザシート光ＳＰを形成する。本実施形態のステップＳ１１は、本発明の「第１ステップ」の一例である。図１に関して前述したように、レーザシート光ＳＰは、測定断面３を含んでいる。続いて、ステップＳ１２において、対象領域５を流れる流体の粒子に当たることにより発生した散乱光をカメラ２７が撮像する。本実施形態のステップＳ１２は、本発明の「第２ステップ」の一例である。ステップＳ１１およびステップＳ１２の処理は、図１および図２に関して前述した通りである。

【0042】

続いて、ステップＳ１３において、コンピュータ２１は、カメラ２７により撮像された画像データに基づいてＰＩＶ（Particle Image Velocimetry）解析のアルゴリズムを実行し、レーザシート光ＳＰに含まれる測定断面３に沿った方向における流体の粒子の速度（速度ベクトル）を算出する。本実施形態のステップＳ１３は、本発明の「第３ステップ」の一例である。ＰＩＶは、粒子画像流速計などと呼ばれ、空間上の粒子に対しシート状のレーザ光を短時間の間に２回連続で照射し、照射と同じタイミングで撮影された連続する２枚の粒子群画像を解析することで、例えば二次元速度データや時系列データを取得することができる流体の可視化手法である。ＰＩＶ解析のアルゴリズムは、図１および図２に関して前述した解析アルゴリズムの一例である。

【0043】

対象領域５においてレーザシート光ＳＰとカメラ２７とを移動させ、前記操作と同様の撮像およびＰＩＶ解析操作を行うことにより、流体の粒子の速度（速度ベクトル）を算出する。これによって対象領域５内の複数断面における二次元速度データを得る。

【0044】

続いて、ステップＳ１４において、コンピュータ２１は、対象領域内の所定数の測定断面のすべてについてステップＳ１１～Ｓ１３に関して前述した処理を実行したか否かを判断する。対象領域内の所定数の測定断面のすべてについてステップＳ１１～Ｓ１３に関して前述した処理を実行していない場合には（ステップＳ１４：ＮＯ）、コンピュータ２１は、ステップＳ１１～Ｓ１３に関して前述した処理を繰り返し実行する。

【0045】

一方で、対象領域内の所定数の測定断面のすべてについてステップＳ１１～Ｓ１３に関して前述した処理を実行した場合には（ステップＳ１４：ＹＥＳ）、ステップＳ１５において、コンピュータ２１は、対象領域５の三次元領域を複数のセル４に分割する。例えば図４に表したように、コンピュータ２１は、測定断面３１と測定断面３３との間に形成された測定断面３２の一部３２１を含むセル４を生成する。図４に表したセル４は、本発明の「第１セル」の一例であり、対象領域５を分割した複数のセル４のうちの１つである。

【0046】

セル４の第１端部４１は、互いに隣り合う測定断面３１と測定断面３２との中間に存在する。セル４の第２端部４２は、互いに隣り合う測定断面３２と測定断面３３との中間に存在する。なお、セル４の第１端部４１は、必ずしも測定断面３１と測定断面３２との中間に存在していなくともよく、測定断面３１と測定断面３２との間の任意の位置に存在していてもよい。また、セル４の第２端部４２は、必ずしも測定断面３２と測定断面３３との中間に存在していなくともよく、測定断面３２と測定断面３３との間の任意の位置に存在していてもよい。

【0047】

続いて、図３に表したステップＳ１６において、コンピュータ２１は、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルを測定箇所に対応する各セル４にセットする。例えば図５に表したセル４において、速度ベクトルｕ（ｉ，ｊ，ｋ）、ｕ（ｉ＋１，ｊ，ｋ）、ｗ（ｉ，ｊ，ｋ）およびｗ（ｉ，ｊ，ｋ＋１）は、測定断面３２の一部３２１に沿った方向における速度ベクトルであり、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルである。ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルは、実測された速度ベクトルと等価である。そこで、コンピュータ２１は、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルｕ（ｉ，ｊ，ｋ）、ｕ（ｉ＋１，ｊ，ｋ）、ｗ（ｉ，ｊ，ｋ）およびｗ（ｉ，ｊ，ｋ＋１）が真の速度ベクトルであるとして、これらの速度ベクトルを測定箇所（図５に表した例では測定断面３２の一部３２１）に対応するセル４にセットする。

【0048】

一方で、速度ベクトルｖ（ｉ，ｊ，ｋ）およびｖ（ｉ，ｊ＋１，ｋ）は、測定断面３２の一部３２１を横断する方向すなわち測定断面３２の一部３２１に交差する方向における速度ベクトルであり、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度ベクトルである。

【0049】

続いて、図３に表したステップＳ１７において、コンピュータ２１は、各セル４における流体の流入流量と流出流量との総和を計算する。具体的には、コンピュータ２１は、以下の式で表されるｄｉｖＵ（発散量）を計算する。以下の式で表されるように、流出流量が流入流量よりも多い場合には、本願明細書における「総和」は、「正」となる。一方で、流入流量が流出流量よりも多い場合には、本願明細書における「総和」は、「負」となる。なお、以下の式では、流入流量と流出流量との総和を、セルの体積で正規化した発散量（ｄｉｖＵ（ｉ，ｊ，ｋ））として表記してある。

【数1】

【0050】

コンピュータ２１による計算の結果として、次の式が成立する場合には、セル４における流体の流量の連続性が満たされるため、コンピュータ２１は、流体の流入流量と流出流量との総和に基づいた速度の補正を特には実行しない。

【数2】

【0051】

コンピュータ２１による計算の結果として、次の式が成立する場合には、セル４における流体の流入流量と流出流量との総和が「正」である、すなわちセル４から流出する流量がセル４に流入する流量よりも多いため、セル４の内部における圧力が低下する。

【数3】

そこで、セル４から流出する流量がセル４に流入する流量よりも多い場合には、コンピュータ２１は、図６に表した矢印Ａ１１～Ａ１６に表したように、セル４に流入する流量を増加させるようにセルを構成する６面の速度に対し、外向きに一律の補正値を加えて補正する。このようにして、コンピュータ２１は、セル４における流体の流量の連続性を満足させる。

【0052】

一方で、コンピュータ２１による計算の結果として、次の式が成立する場合には、セル４における流体の流入流量と流出流量との総和が「負」である、すなわちセル４に流入する流量がセル４から流出する流量よりも多いため、セル４の内部における圧力が増加する。

【数4】

そこで、セル４に流入する流量がセル４から流出する流量よりも多い場合には、コンピュータ２１は、図７に表した矢印Ａ２１～Ａ２６に表したように、セル４から流出する流量を増加させるようにセルを構成する６面の速度に対し、内側向きに一律の補正値を加えて補正する。このようにして、コンピュータ２１は、セル４における流体の流量の連続性を満足させる。

【0053】

続いて、コンピュータ２１は、全てのセル４（ｉ＝１～ｍａｘ，ｊ＝１～ｍａｘ，ｋ＝１～ｍａｘ）についてステップＳ１７に関して前述した補正を実行する。ここで、コンピュータ２１が互いに隣接するセル４についてステップＳ１７に関して前述した補正を実行すると、ステップＳ１７に関して前述した補正を直前に実行したセル４における流体の流量の連続性が失われる。すなわち、図８に表したように、互いに隣接するセル４Ａおよびセル４Ｂが存在する場合において、セル４ＢについてステップＳ１７に関して前述した補正を実行すると、ステップＳ１７に関して前述した補正を直前に実行したセル４Ａにおける流体の流量の連続性が失われる。具体的には、セル４ＢについてステップＳ１７に関して前述した補正を実行すると、セル４Ｂに流入する速度ベクトルｕ（ｉ＋１，ｊ，ｋ）が補正されるため、セル４ＡについてステップＳ１７に関して前述した補正を実行しセル４Ａにおける流体の流量の連続性を満足させたにもかかわらず、セル４Ａの流体の流量の連続性が失われる。しかしこの連続性の損失は後述するステップＳ１８の反復計算処理によって修正される。

【0054】

本実施形態に係る流体測定装置２では、図３に表したステップＳ１８において、コンピュータ２１は、対象領域５内にある全てのセル４（ｉ＝１～ｍａｘ，ｊ＝１～ｍａｘ，ｋ＝１～ｍａｘ）についてステップＳ１７に関して前述した補正を実行する。

【0055】

この時点では、前述した理由により全てのセル４は、完全には連続性を満足しない。そこで、ステップＳ１６～Ｓ１８に関して前述した処理を反復的して実行する。ステップＳ１６においてもＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルを測定箇所に対応する各セル４にセットすることになるので、これによってもセル４Ａの流体の流量の連続性が失われる。しかしステップＳ１７による反復の度にステップＳ１７の補正がおこなわれ、対象領域５内にある全てのセル４は徐々に連続性を満足していく。

【0056】

ステップＳ１６～Ｓ１８に関する反復計算処理により、全てのセル４（ｉ＝１～ｍａｘ，ｊ＝１～ｍａｘ，ｋ＝１～ｍａｘ）のｄｉｖＵが所定閾値よりも小さくなっていない場合には（ステップＳ１９：ＮＯ）、ステップＳ１６～Ｓ１８に関して前述した処理を実行する。一方で、全てのセル４（ｉ＝１～ｍａｘ，ｊ＝１～ｍａｘ，ｋ＝１～ｍａｘ）のｄｉｖＵが所定閾値よりも小さくなった場合には（ステップＳ１９：ＹＥＳ）、コンピュータ２１は、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいた三次元流れ場の算出を終了する。このようにして、本実施形態のコンピュータ２１は、複数のセル４のすべてについてステップＳ１７に関して前述した補正を実行するとともに反復し、複数のセル４のすべてにおけるｄｉｖＵ（すなわち流体の流量の変化）が所定閾値よりも小さくなると補正の反復を停止する。本実施形態のステップＳ１５～Ｓ１９は、本発明の「第４ステップ」の一例である。

【0057】

以上説明したように、本実施形態に係る流体測定装置２によれば、コンピュータ２１は、カメラ２７により撮像された複数の画像データに基づいてＰＩＶ解析のアルゴリズムを実行し、シート状のレーザシート光ＳＰに含まれる測定断面３に沿った方向における流体の粒子の速度を算出する。また、コンピュータ２１は、対象領域５を複数のセル４に分割し、ＰＩＶ解析のアルゴリズムにより算出された速度すなわち測定断面３に沿った方向における速度に基づいてセル４を流れる流体の流入流量と流出流量との総和を算出し、流入流量と流出流量との総和に基づいて速度を補正する。これにより、コンピュータ２１は、測定断面３に交差する方向における速度を算出する。つまり、コンピュータ２１は、セル４を流れる流体の流量の連続性を満足するように粒子の速度を補正することにより、複数の画像データに基づいたＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面３に交差する方向における粒子の速度を導出することができる。これにより、本実施形態に係る流体測定装置２は、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。また、算出された三次元流れ場の速度データが連続性を満足するため、本実施形態に係る流体測定装置２は、熱やガス（例えば汚染物質など）の分布すなわちスカラー分布を解析することができる。さらに、本実施形態に係る流体測定装置２は、１つのカメラ２７によって撮像された複数の画像データに基づいて、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データから三次元流れ場を算出できるため、計算の収束の早期化を図り、解析時間の短縮化を図ることができる。

【0058】

また、コンピュータ２１は、セル４を流れる流体の流入流量と流出流量との総和が正である場合すなわちセル４から流出する流量がセル４に流入する流量よりも多い場合には、セル４に流入する流量を増加させるように速度を補正する。一方で、コンピュータ２１は、セル４を流れる流体の流入流量と流出流量との総和が負である場合すなわちセル４に流入する流量がセル４から流出する流量よりも多い場合には、セル４から流出する流量を増加させるように速度を補正する。これにより、コンピュータ２１は、セル４を流れる流体の流量の連続性をより高い精度で満足するように粒子の速度を補正することができ、複数の画像データに基づいたＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面３に交差する方向における粒子の速度をより高い精度で導出することができる。これにより、本実施形態に係る流体測定装置２は、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場をより高い解像度で算出することができる。

【0059】

また、コンピュータ２１は、複数のセル４のすべてについて速度の補正を実行するとともに反復し、複数のセル４のすべてにおける流体の流入流量と流出流量との総和が所定閾値よりも小さくなると補正の反復を停止する。そのため、コンピュータ２１は、対象領域５の全体にわたってレーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。また、コンピュータ２１は、三次元流れ場をより高い解像度で算出することができる。

【0060】

次に、本実施形態の測定断面３を、図面を参照してさらに説明する。
図９は、本実施形態の測定断面の生成形態の第１具体例を表す斜視図である。

【0061】

図９に表したように、本具体例では、複数の測定断面３１～３６が設定されている。全ての測定断面３１～３６は、対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６を横断する方向に沿っている。本具体例の場合には、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出される速度ベクトルは、測定断面３１～３６の面方向すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６を横断する方向における速度ベクトルである。一方で、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できない速度ベクトルは、測定断面３１～３６の面に交差する方向すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６に沿った方向における速度ベクトルである。

【0062】

本具体例に係る流体測定装置２によれば、コンピュータ２１は、図３に関して前述した制御を実行することにより、流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６の方向に沿った測定断面を設定しなくとも、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できない速度すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６に沿った方向における速度を導出することができ、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。

【0063】

なお、図９に表した具体例では、６つの測定断面が設定された場合を例に挙げている。但し、測定断面の数は、６つに限定されるわけではなく、２つ以上、５つ以下であってもよく、７つ以上であってもよい。

【0064】

図１０は、本実施形態の測定断面の生成形態の第２具体例を表す斜視図である。
図１０に表したように、本具体例では、複数の測定断面３１～３５が設定されている。測定断面３１～３４は、対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６を横断する方向に沿っている。測定断面３１～３４について、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出される速度ベクトルは、測定断面３１～３４の面方向すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６を横断する方向における速度ベクトルである。一方で、測定断面３１～３４について、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できない速度ベクトルは、測定断面３１～３４の面に交差する方向すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６に沿った方向における速度ベクトルである。

【0065】

測定断面３５は、対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６の方向に沿っている。測定断面３５について、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出される速度ベクトルは、測定断面３５の面方向すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６の方向における速度ベクトルである。一方で、測定断面３５について、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できない速度ベクトルは、測定断面３５の面に交差する方向すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６に交差する方向における速度ベクトルである。

【0066】

本具体例に係る流体測定装置２によれば、コンピュータ２１は、図３に関して前述した制御を実行することにより、測定断面３１～３４については、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できない速度すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６に沿った方向における速度を導出することができる。また、コンピュータ２１は、図３に関して前述した制御を実行することにより、測定断面３５については、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できない速度すなわち流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６に交差する方向における速度を導出することができる。これにより、コンピュータ２１は、三次元流れ場をより一層高い解像度で算出することができる。

【0067】

なお、図１０に表した具体例では、対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６を横断する方向に沿った４つの測定断面３１～３４と、対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６の方向に沿った測定断面３５と、が設定された場合を例に挙げている。この具体例では、測定対象とする流れの形態に合わせ、任意方向の測定断面を組み合わせて二次元速度データから三次元流れ場を算出できることを示している。但し、各方向に沿った測定断面の数は、これだけに限定されるわけではない。対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６を横断する方向に沿った測定断面の数は、２つ以上、３つ以下であってもよく、５つ以上であってもよい。また、対象領域５を流れる流体の主流Ａ４、Ａ５、Ａ６の方向に沿った測定断面の数は、２つ以上であってもよい。

【0068】

次に、本実施形態の対象領域を複数のセル４に分割する他の例を、図面を参照してさらに説明する。
図１１は、本実施形態の複数のセルの生成形態の他の例を表す斜視図である。
図４に関して、複数のセル４の生成形態の例を前述した。図１１に表した複数のセル４の生成形態は、図４に関して前述した複数のセル４の生成形態の他の例である。

【0069】

図１１に表した具体例では、複数のセル４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが、測定断面３１から測定断面３２を介し測定断面３３に向かってこの順に形成されている。
セル４Ａは、測定断面３１の一部３１１を含む。セル４Ａの第２端部４２は、測定断面３１と測定断面３２との中間よりも測定断面３１に寄った位置に存在する。本実施形態のセル４Ａは、本発明の「第１セル」の一例である。

【0070】

セル４Ｂは、互いに隣り合う測定断面３１と測定断面３２との間に設定され、いずれの測定断面を含まない。つまり、図１１に表した断面４３は、セル４Ｂに含まれており、測定断面３１および測定断面３２の一部ではない。本実施形態のセル４Ｂは、本発明の「第２セル」の一例である。

【0071】

セル４Ｃは、測定断面３２の一部３２１を含む。セル４Ｃの第１端部４１は、測定断面３１と測定断面３２との中間よりも測定断面３２に寄った位置に存在する。セル４Ｃの第２端部４２は、測定断面３２と測定断面３３との中間よりも測定断面３２に寄った位置に存在する。本実施形態のセル４Ｃは、本発明の「第１セル」の一例である。

【0072】

セル４Ｄは、互いに隣り合う測定断面３２と測定断面３３との間に設定され、いずれの測定断面を含まない。つまり、図１１に表した断面４４は、セル４Ｄに含まれており、測定断面３２および測定断面３３の一部ではない。本実施形態のセル４Ｄは、本発明の「第２セル」の一例である。

【0073】

セル４Ｅは、測定断面３３の一部３３１を含む。セル４Ｅの第１端部４１は、測定断面３２と測定断面３３との中間よりも測定断面３３に寄った位置に存在する。本実施形態のセル４Ｅは、本発明の「第１セル」の一例である。

【0074】

本具体例に係る流体測定装置２によれば、複数のセルは、測定断面の一部を含む第１セル（セル４Ａ、４Ｃ、４Ｅ）と、互いに隣り合う複数の測定断面の間に設定され測定断面を含まない第２セル（４Ｂ、４Ｄ）と、の両方を有する。これにより、コンピュータ２１は、対象領域５において三次元流れ場の空間補間を行うことができ、三次元流れ場をより一層高い解像度で算出することができる。

【0075】

図１２は、気体が発熱体から自然対流により流れる具体例を説明する模式図である。
本具体例の説明では、床面６２、天井６３、第１壁面６４および第２壁面６５で囲まれた領域を例に挙げる。図１２に表したように、発熱体６１が、床面６２に設置されている。そして、図１２に表した矢印Ａ７、Ａ８、Ａ９のように、空気が発熱体６１から自然対流により天井６３に向かって流れている。

【0076】

本具体例に係る流体測定装置２は、図１２に表したように、空気が自然対流により流れる領域を対象領域５として設定することにより、二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出することができる。二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出する方法は、図３～図８に関して前述した通りである。

【0077】

ここで、流体解析などと呼ばれる数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）では、境界条件として領域の境界面（床面６２、天井６３、第１壁面６４および第２壁面６５）の情報を入力する必要がある。境界条件を入力しなければ、解析結果の精度を確保することが困難である。

【0078】

これに対して、本実施形態に係る流体測定装置２では、コンピュータ２１は、カメラ２７により撮像された複数の画像データに基づいてＰＩＶ解析のアルゴリズムを実行し、シート状のレーザシート光ＳＰに含まれる測定断面３に沿った方向における流体の粒子の速度を算出する。そして、コンピュータ２１は、対象領域５を複数のセル４に分割し、ＰＩＶ解析のアルゴリズムにより算出された速度すなわち測定断面３に沿った方向における速度に基づいてセル４を流れる流体の流量の変化を算出し、流量の変化に基づいて速度を補正する。これにより、コンピュータ２１は、複数の画像データに基づいたＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度すなわち測定断面３に交差する方向における粒子の速度を導出する。このように、コンピュータ２１は、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度を真の速度として処理しつつＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度を導出する。そのため、本実施形態に係る流体測定装置２は、領域の境界面（床面６２、天井６３、第１壁面６４および第２壁面６５）などの境界条件を設定しなくとも、レーザシート光ＳＰの面方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場をより高い解像度で算出することができる。実用問題では、明確な境界条件を定義できない場合や、明確な境界条件を含めようとすると対象領域が必要以上に大きくなってしまう場合が多く、このような場合には、流れの一部のみをクローズアップして可視化することとなる。本発明はこのような場合についても適用が可能であり、非常に有効な解析手段となることを示している。

【0079】

次に、本発明者が実施した解析の結果の例を、図面を参照して説明する。
この実施例では、噴流を含む対象領域について、図９と同様に噴流を横断する方向に設定した複数の測定断面についてＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルから三次元流れ場を算出している。
図１３は、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルを例示する図である。
図１４は、図１３に表した範囲Ａ３１を流体の主流の方向に沿って眺めたときの図である。
図１５は、本発明者が実施した解析の結果の第１例を例示する図である。
図１６は、本発明者が実施した解析の結果の第２例を例示する図である。
図１７は、本発明者が実施した解析の結果の第３例を例示する図である。
図１８は、本発明者が実施した解析の結果の第４例を例示する図である。
なお、図１３は、流体の主流を横断する方向に沿って眺めたときの図である。

【0080】

図１３に表したように、本発明者は、初速度２ｍ／ｓｅｃで斜め下向きに吹き出す三次元噴流を解析対象とした。そして、本発明者は、図９と同様に噴流を横断する方向に複数の測定断面を設定し、図３～図８に関して前述した流体測定方法により、図１３に表した二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出した。このような流れに対しては、主流の方向に沿った測定断面（例えば図１０に表した測定断面３５参照）で可視化することが一般的であるが、本発明者は、主流を横断する方向に沿った測定断面を設定し、主流の方向に沿った流れ場（すなわち速度データ）を再現できるかを検討している。

【0081】

本解析では、測定断面が主流を横断する方向に沿って設定されているため、図１３および図１４に表したように、ＰＩＶ解析のアルゴリズムによって算出された速度ベクトルは、主流を横断する方向における速度ベクトルのみである。つまり、主流の方向における速度ベクトルは、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出されていない。そして、図３～図８に関して前述した流体測定方法により、図１３に表した二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出した結果は、図１５～図１７に表した通りである。

【0082】

すなわち、図１５に表した解析結果の例では、主流を横断する方向に沿った測定断面の数は、７つである。７つの測定断面は、主流の方向において互いに離れて設定されている（図９参照）。図１５に表した解析結果の例によれば、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度ベクトルすなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度ベクトルを導出できており、主流を横断する方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出できることを確認できた。

【0083】

図１６に表した解析結果の例では、主流を横断する方向に沿った測定断面の数は、１１つである。１１つの測定断面は、主流の方向において互いに離れて設定されている（図９参照）。図１６に表した解析結果の例によれば、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度ベクトルすなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度ベクトルを導出できており、図１５に表した解析結果と比較して、主流を横断する方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を高い解像度で算出できることを確認できた。

【0084】

図１７に表した解析結果の例では、主流を横断する方向に沿った測定断面の数は、２０である。２０の測定断面は、主流の方向において互いに離れて設定されている（図９参照）。図１７に表した解析結果の例によれば、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度ベクトルすなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度ベクトルを導出できており、図１５および図１６に表した解析結果と比較して、主流を横断する方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を高い解像度で算出できることを確認できた。

【0085】

図１８に表した解析結果の例では、主流を横断する方向に沿った測定断面の数は、４０である。４０の測定断面は、主流の方向において互いに離れて設定されている（図９参照）。図１８に表した解析結果の例によれば、ＰＩＶ解析のアルゴリズムでは算出できなかった速度ベクトルすなわち測定断面に交差する方向における粒子の速度ベクトルを導出できており、図１５～図１７に表した解析結果と比較して、主流を横断する方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を高い解像度で算出できることを確認できた。

【0086】

なお、本発明者の検討の結果、測定断面の数が２０以上、４０以下の場合、算出された三次元流れ場における速度は、互いにほとんど変化しないことを確認できた。また、測定断面の数が７つの場合であっても、元データ（三次元ＣＦＤ解析結果）と、算出された三次元流れ場における速度と、の差は０．１ｍ／ｓｅｃ未満（初速度２ｍ／ｓｅｃに対して５％未満の誤差）であり、主流を横断する方向における二次元速度データに基づいて三次元流れ場を高い解像度で算出できることを確認できた。

【0087】

図１９は、本発明者が実施した解析の結果の第５例を例示する図である。
本発明者は、図１３に関して前述した三次元噴流の流れ場に障害物６６、６７を置いた場合についても、主流を横断する方向に沿った測定断面を設定し、主流の方向に沿った流れ場（すなわち速度データ）を再現できるかを検討している。解析対象は、障害物６６、６７の存在を除いて、図１３に関して前述した解析対象と同じである。

【0088】

図３～図８に関して前述した流体測定方法により、図１３に表した二次元速度データに基づいて三次元流れ場を算出した結果は、図１９に表した通りである。すなわち、図１９に表したように、本解析では障害物６６、６７の存在箇所に関する境界条件等の処理を全く行っていないにもかかわらず、流体が障害物６６、６７を避けて流れる状況が高い精度で再現されていることを確認できた。

【0089】

前述したように、数値流体力学（ＣＦＤ：Computational Fluid Dynamics）では、流れ場に障害物が存在する場合、その存在を境界条件として入力する必要があり、通常は境界条件を入力しなければ、解析結果の精度を確保することが困難である。この作業には、障害物の位置や寸法についての情報を事前に把握しておく必要がある。しかし本発明者が実施した解析では、これらの情報を一切使用していない。すなわち、各測定断面における二次元速度データは、障害物を避けて流れを生じる様子が得られており、障害物部分には有意な速度を有していない。このため、本発明によれば障害物の位置や寸法についての情報を事前に把握し入力する必要はない。この点は、たとえば障害物の形状や位置が刻々変化するような流れ場を解析する場合には非常に有効な解析手段となることを示している。

【0090】

以上、本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、上記実施形態に限定されず、特許請求の範囲を逸脱しない範囲で種々の変更を行うことができる。上記実施形態の構成は、その一部を省略したり、上記とは異なるように任意に組み合わせたりすることができる。

【符号の説明】

【0091】

２：流体測定装置、 ３：測定断面、 ４：セル、 ４Ａ：セル、 ４Ｂ：セル、 ４Ｃ：セル、 ４Ｄ：セル、 ４Ｅ：セル、 ５：対象領域、 ２１：コンピュータ、 ２２：コントローラ、 ２３：レーザ電源、 ２４：レーザ発振部、 ２５：レーザ光照射部、 ２６：カメラ電源、 ２７：カメラ、 ２８：記憶部、 ３１：測定断面、 ３２：測定断面、 ３３：測定断面、 ３４：測定断面、 ３５：測定断面、 ３６：測定断面、 ４１：第１端部、 ４２：第２端部、 ４３：断面、 ４４：断面、 ６１：発熱体、 ６２：床面、 ６３：天井、 ６４：第１壁面、 ６５：第２壁面、 ６６：障害物、 ６７：障害物、 ２８１：プログラム、 ３１１：一部、 ３２１：一部、 ３３１：一部、 ＬＢ：レーザ光、 ＳＰ：レーザシート光

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】