Development of versatile optical measurement principles for identifying multiscale physics in thermal convection

デジタル画像処理による可視化流体計測において，色情報を用いることにより従来計測できなかった新たな物理量（面外速度成分や温度）を取得する手法を確立した．Color PTVの開発では，カメラ視軸方向に連続的に色変化するレインボー光を可視化光源とし，流体中の粒子の色情報とカメラ奥行情報を，人工ニューラルネットワークによって対応付けることに成功した．光源には液晶プロジェクタ，可視化には一台のカラーカメラのみを用いるため，非常に安価で簡易な光学系のみで，三次元三成分流速分布を取得できる手法となった．温度に対応した色を発色する感温液晶粒子を用いた熱対流計測では，熱対流の微弱な流れ場においても長時間分散する感温液晶粒子の特性によって，安定温度成層化における水平対流の時空間発展を定量化することに成功した．また，感温液晶の発色を温度情報へと対応付ける手法を人工ニューラルネットワークの導入により実現し，計測精度0.2度以下の非接触温度計測法を確立した．これらの技術を統合し，シート光およびカメラを流体層全域に渡って走査することにより，準瞬時三次元三成分流速分布および三次元温度分布を取得する手法を確立した．この手法を用いて回転熱対流において形成される渦柱の運動および個々の渦柱が有する瞬時の熱輸送量を同時に計測することが可能となった．従来流れ場全体の積分量として議論されていた熱対流の熱輸送特性を，瞬時かつ局所の情報として抽出することにより，これまで説明できなかった渦中の拡散挙動の由来を解明することに成功した．

デジタル画像処理による可視化流体計測において，色情報を用いることにより従来計測できなかった新たな物理量（面外速度成分や温度）を取得する手法を確立した．Color PTVの開発では，カメラ視軸方向に連続的に色変化するレインボー光を可視化光源とし，流体中の粒子の色情報とカメラ奥行情報を，人工ニューラルネットワークによって対応付けることに成功した．光源には液晶プロジェクタ，可視化には一台のカラーカメラのみを用いるため，非常に安価で簡易な光学系のみで，三次元三成分流速分布を取得できる手法となった．温度に対応した色を発色する感温液晶粒子を用いた熱対流計測では，熱対流の微弱な流れ場においても長時間分散する感温液晶粒子の特性によって，安定温度成層化における水平対流の時空間発展を定量化することに成功した．また，感温液晶の発色を温度情報へと対応付ける手法を人工ニューラルネットワークの導入により実現し，計測精度0.2度以下の非接触温度計測法を確立した．これらの技術を統合し，シート光およびカメラを流体層全域に渡って走査することにより，準瞬時三次元三成分流速分布および三次元温度分布を取得する手法を確立した．この手法を用いて回転熱対流において形成される渦柱の運動および個々の渦柱が有する瞬時の熱輸送量を同時に計測することが可能となった．従来流れ場全体の積分量として議論されていた熱対流の熱輸送特性を，瞬時かつ局所の情報として抽出することにより，これまで説明できなかった渦中の拡散挙動の由来を解明することに成功した．