ハイスピードカメラによる流体の可視化
ハイスピードカメラを使うことで、流体の動きを可視化・計測することができます。流体には「気体」と「液体」が含まれ、微粒化・混相流・マイクロバブルなどの現象も流体として扱われます。どんな流体かによって撮影の方法や必要な機材が異なるため、流体を可視化する際のポイントを解説します。
流体の撮影のポイント
流体をハイスピードカメラで可視化する際は、以下のポイントを抑えることが重要です。
ポイント01 被写体に合わせて撮影手法を選ぶ
流体を撮影・解析するうえでは、気体・液体のような「流れの撮影」なのか、微粒化・混相流・マイクロバブルといった「小さいものや泡」なのかによって手法が異なります。フォトロンにご相談いただければ、撮影する被写体についてヒアリングしたうえで最適な手法をご提案します。
流れの可視化(PIV)
水や空気の流れを可視化するためには、トレーサーと呼ばれる粒子が必要となります。液体の場合は粉、気体の場合は煙を使用することで、通常は目に見えない高速な透明体を可視化できるようになります。
そのようにトレーサーを使って流体の動きを可視化する手法が「PIV(粒子画像流速測定法)」です。PIVでは、シート状のレーザー光源を用いてトレーサーの動きをカメラで撮影し、専用ソフトウェアで解析をします。撮影した画像は特定の大きさの格子状(グリッド)に分割し、その格子内でトレーサーがどのように動くかを追跡することで、グリッド毎の流速や流れの方向を矢印(ベクトル)として分布出力します。
PIVは、非接触で面で流れの解析を行えることが特徴です。ハイスピードカメラを用いたPIVは時系列PIVとも呼ばれ、高速かつ非定常な流体の計測に用いられます。
微粒化・混相流・マイクロバブルの可視化
液体を小さなしずくにして空気中に放出する「微粒化」、気体・液体・固体の異なる相が混ざった「混相流」、直径1~100μmの気泡である「マイクロバブル」などの可視化には、流れの可視化とは異なる手法が選ばれます。
これらの現象を撮影する場合は、特に照明の当て方について注意が必要です。基本的には照明をカメラと対になる位置に置いて透過光(バックライト)にすることで、コントラストを強くします。この際、パネル型LEDを使用すると、よりムラなく綺麗な映像を撮影できます。カメラの反対側に照明を置けない場合はカメラの横から照明を当てる反射光で撮影します。インジェクションやスプレーのような噴霧の撮影でも、反射光を用います。
マイクロスコープ用レンズを使用して拡大撮影することも多いです。使用するカメラの機種や設定によって異なりますが、拡大用のレンズを使用することで数μm~数10μmの粒子やバブルの観察ができるようになります。
ポイント02 目的に合わせてカメラの仕様を検討する
同じ被写体であっても、目的によって最適なハイスピードカメラの種類は異なります。よくある3つのケースを例に挙げて、カメラの仕様を検討する際の考え方を紹介します。フォトロンにご相談いただければ、目的に合わせて最適な製品をご提案します。
高精細に撮影したい・広範囲を撮影したい
細かいところまで鮮明に撮影して観察したい場合は、高解像度のハイスピードカメラが必要になります。また解像度が高いカメラほど、より広い範囲を撮影することも可能です。4K(4096×2304画素)やフルHD(1920×1080画素)であれば、従来は複数のカメラが必要だったケースも1台で十分に撮影できるでしょう。
高速でブレなく撮影したい
素早く動く現象を捉えるためには、十分なシャッタースピードが必要です。1μ秒以下のシャッタースピードであれば、高速な現象でもブレなく撮影できます。ただしシャッタースピードが早くなるほど露光時間が短くなって画像が暗くなりやすいため、カメラの感度にも注意する必要があります。
狭いところで撮影したい
ハイスピードカメラは、撮影の性能だけでなく筐体の大きさや重さも重要です。撮影内容によってはスペースが限られていて、大きなカメラを設置できない場合もあります。約15m㎡程度の小型カメラを使えば、かなり狭いところで撮影が可能となるでしょう。
流体を撮影した映像
弊社のハイスピードカメラで実際に撮影した流体の映像を紹介します。
流体(気体)の4K撮影・PIV
流体(液体)の撮影・PIV
混相流・バブルの4K撮影
液滴微粒化
キャビテーション観察
噴霧解析
流体の可視化事例
流体の可視化におすすめの製品
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FASTCAM Nova Sシリーズ
超高速撮影性能と小型軽量筐体の両立
主な利用用途
- #製品・開発品の挙動観察
- #材料試験(破壊・引張)、切削、溶接
- #流体(PIV,微粒化)、燃焼、ひずみ(DIC)
- #製品・開発品の挙動観察
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FASTCAM Nova R2
超高解像度・コンパクト高速度カメラ
主な利用用途
- #製品・開発品の挙動観察
- #流体(PIV)
- #ひずみ(DIC)
- #生物
- #生体力学
- #製品・開発品の挙動観察
-
FASTCAM Nova R5-4K/R3-4K
4K解像度を実現した
超高解像度・コンパクト高速度カメラ主な利用用途
- #自動車/自動車部品の衝突試験(定置)
- #エアバッグの展開試験
- #自動車/自動車部品の衝突試験(定置)
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