1台の高速度カメラによる時系列3次元非定常密度場計測(亜音速噴流の可視化)

亜音速噴流（代替フロンガス）の様子をVision Research Inc.（米国）製ハイスピードカメラPhantom T1340のモノクロモデルを用いて可視化撮影しました。Phantom T1340はフル解像度2,048x1,952でありながら、ISO感度モノクロ：40,000を有します。またCDS機能によってノイズを抑えることで高精度な解析を実現できるモデルです。今回は5,500fpsを1,920x1,200の解像度で、12個の画像に分光した画像を同時に撮影しました。解析結果から、噴射開始直後の3次元時系列密度場（ISO surface：ρ/ρ∞=1.06, 1.09, 1.12, 1.15）がしっかりと捉えられています。

亜音速流は、流れ場のいたるところで流速が音速より遅い流れ，すなわちマッハ数が1より小さい流れです。代替フロンは、オゾン層を破壊しないフルオロカーボン（フッ素と炭素の化合物）の総称です。今回は代替フロンガスの非定常密度場を3次元かつ数kHzオーダで時系列計測することに成功しました。通常3次元の時系列計測には複数台のカメラが必要です。特に，高速現象を捉えるためには複数台の高速度カメラを揃える必要がありコストがかかります。

そこで、今回はFibre BOS法※を用いて1台の高解像度カメラにより3次元時系列計測を実現しました。高解像度での解析には、低ノイズのカメラが必須条件です。CDS機能を搭載した高解像度Phantom T1340だからこそ実現できた計測です。 設置画像のように、12方向からの画像を1台のカメラに結像させます。それらを12の画像に切り取って、3次元画像再構成法により、3次元画像を作成しています。

※T. Ukai, “The principle and characteristics of an image fibre Background Oriented Schlieren (Fibre BOS) technique for time-resolved three-dimensional unsteady density measurements,” Experiments in Fluids 62 (170), 2021.