JP2010276448A - Physical quantity measuring method and physical quantity measuring apparatus around object - Google Patents
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Abstract
【課題】流体中に置かれた物体の境界面が曲面を有する形状であっても、また物体の境界が流体中で時間的に変位する場合であっても、物体周囲の流体の圧力、速度、温度等の物理量を高精度に且つ簡素に測定することができる物理量測定方法を提供する。
【解決手段】本発明に係る物理量測定方法は、曲面物体の周囲空間を所定の可視化媒体によって可視化し、可視化された周囲空間及び曲面物体を撮像して曲面物体の断面画像を含む画像データを取得し、画像データ中の周囲空間を複数の格子空間に分割し、夫々の格子空間の画像データから複数の格子空間の各格子点における物理量を求める、ステップを有し、格子空間に分割するステップでは、断面画像の外周に沿った形状の外縁をもつ複数の格子空間によって断面画像の周囲が前記各外縁に接して囲まれるように周囲空間を複数の格子空間に分割する、ことを特徴とする。
【選択図】 図12Even if the boundary surface of an object placed in a fluid has a curved surface or when the boundary of the object is displaced in time in the fluid, the pressure and velocity of the fluid around the object Provided is a physical quantity measuring method capable of measuring a physical quantity such as temperature with high accuracy and simplicity.
A physical quantity measurement method according to the present invention visualizes a surrounding space of a curved object with a predetermined visualization medium, captures the visualized surrounding space and the curved object, and acquires image data including a cross-sectional image of the curved object. And dividing the surrounding space in the image data into a plurality of lattice spaces, obtaining physical quantities at each lattice point of the plurality of lattice spaces from the image data of each lattice space, The peripheral space is divided into a plurality of lattice spaces so that the periphery of the cross-sectional image is surrounded by and in contact with the outer edges by a plurality of lattice spaces having outer edges shaped along the outer periphery of the cross-sectional image.
[Selection] FIG.
Description
本発明は、物体周囲の物理量測定方法及び測定装置に係り、特に、物体周囲の物理量を可視化媒体によって可視化し、可視化された物理量の撮像画像から、物体周囲の流体の圧力、速度、温度等の物理量を測定する物理量測定方法及び物理量測定装置に関する。 The present invention relates to a physical quantity measurement method and a measurement apparatus around an object, and in particular, the physical quantity around the object is visualized by a visualization medium, and the pressure, velocity, temperature, etc. of the fluid around the object are visualized from the captured image of the visualized physical quantity. The present invention relates to a physical quantity measuring method and a physical quantity measuring apparatus for measuring a physical quantity.
流体中に円柱構造物等の物体が置かれたときの物体周囲の流体圧力、流体速度、温度等の物理量の振る舞いは様々な分野において重要である。 The behavior of physical quantities such as fluid pressure, fluid velocity, and temperature around an object when an object such as a cylindrical structure is placed in the fluid is important in various fields.
円柱構造物に限らず、流体中に構造物(車や飛行機など)が置かれるとその背後に後流を形成するが、流れが早い場合には後流は殆どの場合で乱流状態となる。こうした後流域のなかで、構造物の背後の領域は周囲に比べて特に圧力が低くなるため、構造物はその前後(流れがぶつかる前面部分とその反対側の後面部分)の圧力差で流れの下流方向に外力を受けることになり、車や飛行機の性能にも大きな影響を及ぼす。 Not only cylindrical structures, but if structures (cars, airplanes, etc.) are placed in the fluid, a wake is formed behind them. However, when the flow is fast, the wake is almost always turbulent. . In such a wake area, the area behind the structure has a lower pressure than the surrounding area. Therefore, the structure has a flow difference due to the pressure difference between the front and back (the front part where the flow collides and the rear part on the opposite side). It will receive an external force in the downstream direction, which will greatly affect the performance of cars and airplanes.
円柱構造物における流体関連振動においても、円柱構造物の後流には繰り返し渦が形成されており、円柱構造物の後流に形成される渦による負荷流体力が、円柱構造物の自励振動を維持するのに重要な役割を果たしている。円柱構造物の背後の領域は渦の形成とともに繰り返し大きな圧力変動を起こしており、その圧力勾配による力が円柱構造物に作用していることから、流体関連振動現象の詳細な理解には円柱構造物の周囲の圧力分布状況の把握も重要な意味を持つ。 Even in fluid-related vibrations in a cylindrical structure, vortices are repeatedly formed in the wake of the cylindrical structure, and the load fluid force generated by the vortex formed in the wake of the cylindrical structure causes the self-excited vibration of the cylindrical structure. Plays an important role in maintaining. The region behind the cylindrical structure repeatedly undergoes large pressure fluctuations along with the formation of vortices, and the force due to the pressure gradient acts on the cylindrical structure. Understanding the pressure distribution around objects is also important.
圧力の計測手法には様々あるが、例えば、ピトー管のような動圧を測定できる圧力計を流体中や円柱構造物の壁面に取り付ける手法は、円柱構造物の周囲流体や壁面での圧力計測を行うことが可能であるが、単体のピトー管で測定できる実験空間内の測定点は1点のみであり、圧力分布を計測しようと思うと多数の測定点を設けなくてはならない。加えて、ピトー管自身が流体を乱し、その計測値に影響を与える可能性もある。 There are various methods for measuring pressure. For example, a pressure gauge that can measure dynamic pressure, such as a Pitot tube, is attached to the wall of a cylindrical structure or in the fluid. However, there is only one measurement point in the experimental space that can be measured with a single Pitot tube, and many measurement points must be provided when measuring pressure distribution. In addition, the Pitot tube itself may disturb the fluid and affect the measured value.
点計測ではなく面計測で圧力を測定使用する方法はさまざまあり、そのうちPIV(Particle Image Velocimetry: 粒子画像流速測定)解析による速度情報から圧力を推定する方法は、PIVが測定対象空間に対して非接触かつ空間的に面状に多数の測定点を設けることができるため、現在、有効な非接触かつ面計測が可能な圧力計測手段として盛んに研究が行われている。 There are various methods for measuring and using pressure in surface measurement instead of point measurement. Among them, the method for estimating pressure from velocity information by PIV (Particle Image Velocimetry) analysis is that PIV is not suitable for the measurement target space. Since a large number of measurement points can be provided in contact and spatially in the form of a plane, research is actively conducted as a pressure measurement means capable of effective non-contact and surface measurement.
他方、流れ場の支配方程式であるナビエ・ストークス方程式の発散を取り、連続の式と連立すると、以下に示すような圧力pに関するポアソン方程式(式1)が得られる。
(式1)は、圧力の空間分布が時間に依存せず、ある瞬時の速度場から求めることができることを意味している。ここで瞬時の速度場はPIV解析から求めることが可能であり(例えば、特許文献1等参照)、適切な境界条件を適用して(式1)の微分方程式を解くことで同じ時間の圧力場を得ることができる。PIV解析で得られる速度場は2次元であることが殆どであり、この場合にはPIV解析から得られた速度場情報をもとに上記の式を3次元的に解くことはできない。しかしながら、境界条件などの各種条件を明確にした上で利用する分には、たとえ定性的な情報であっても、速度場と圧力場の相関についての情報が得られることは有益である。 (Expression 1) means that the spatial distribution of pressure does not depend on time and can be obtained from a certain instantaneous velocity field. Here, the instantaneous velocity field can be obtained from PIV analysis (see, for example, Patent Document 1). By applying an appropriate boundary condition and solving the differential equation of (Equation 1), the pressure field at the same time Can be obtained. The velocity field obtained by PIV analysis is mostly two-dimensional. In this case, the above equation cannot be solved three-dimensionally based on velocity field information obtained from PIV analysis. However, it is useful to obtain information about the correlation between the velocity field and the pressure field, even if it is qualitative information, as long as various conditions such as boundary conditions are clarified.
しかしながら、一般的に、PIV解析を行う際には、空間を細かな格子空間に分割し、分割した夫々の格子空間に対して速度ベクトルを求めている。このとき、格子空間の外縁と構造物の境界(円柱構造物の壁面など)が並行でなく一致しない場合には、そのPIV解析で得られた速度データをそのままポアソン方程式に入れて圧力分布を計算することは大変な困難が伴う。 However, generally, when performing PIV analysis, a space is divided into fine lattice spaces, and a velocity vector is obtained for each divided lattice space. At this time, if the outer edge of the lattice space and the boundary of the structure (wall surface of the cylindrical structure, etc.) are not parallel and do not match, the velocity data obtained by the PIV analysis is directly put into the Poisson equation to calculate the pressure distribution. It is very difficult to do.
PIV解析ではひとつの速度ベクトル情報を得るのに、格子空間の画像を基本パターン画像とし、この基本パターン画像と、格子空間と同じ形状、同じ大きさの相関窓から得られる画像とのパターンマッチングを行い、相関窓の移動量を計算する手法を取っている。 In PIV analysis, in order to obtain one velocity vector information, a lattice space image is used as a basic pattern image, and pattern matching between this basic pattern image and an image obtained from a correlation window having the same shape and the same size as the lattice space is performed. And a method for calculating the amount of movement of the correlation window is taken.
従来から行われている一般的なPIV解析においては、正方形もしくは矩形の形状の格子空間及び相関窓が用いられている。このため、PIV解析を行う際に空間を分割した格子空間の外縁と、空間に置かれた円柱構造物等の境界が平行でなく不一致な場合には、構造物の境界近傍では格子空間、或は相関窓の中に境界内部の構造物の画像が含まれてしまう現象が発生する。流体に混ぜられたトレーサー粒子は、流体の流れに応じてその位置を変えるが壁面内部に入り込むことはない。しかしながら、格子空間の外縁と構造物の境界が不一致な場合には、壁面近傍の格子空間の基本パターン画像の中にトレーサー粒子以外の境界内部の構造物の画像パターンも写り込むことになる。構造物の画像パターンは、トレーサー粒子と異なり、時間ともにパターンの位置が変わらない固定パターンとなっている。相関窓の移動量はトレーサー粒子画像のパターンマッチングにて計算されるため、格子空間や相関窓の画像パターンにおいてトレーサー粒子よりも構造物の画像パターンの方が支配的になると、こうした構造物の固定パターンはPIV解析を行う上で計算誤差の要因となる。 In a general PIV analysis performed conventionally, a square or rectangular lattice space and a correlation window are used. For this reason, when the outer edge of the lattice space into which the space is divided when performing PIV analysis and the boundary of the cylindrical structure placed in the space are not parallel and inconsistent, the lattice space in the vicinity of the structure, or The phenomenon that the image of the structure inside the boundary is included in the correlation window occurs. The tracer particles mixed with the fluid change their positions according to the flow of the fluid, but do not enter the inside of the wall surface. However, if the boundary between the outer edge of the lattice space and the structure does not match, the image pattern of the structure inside the boundary other than the tracer particles is also reflected in the basic pattern image in the lattice space near the wall surface. Unlike the tracer particle, the image pattern of the structure is a fixed pattern that does not change its position with time. Since the movement amount of the correlation window is calculated by pattern matching of the tracer particle image, if the image pattern of the structure becomes more dominant than the tracer particle in the lattice space or the image pattern of the correlation window, the structure is fixed. The pattern causes a calculation error in performing the PIV analysis.
また、前述のポアソン方程式を解く際に境界条件を設定する必要がある。境界条件には、境界上の値を規定するディリクレ境界条件や、境界上の値の勾配値を規定するノイマン境界条件などがある。特に、流体の出入りがない壁面においては「滑り壁面境界」と「固定壁面境界」があり、前者は壁面に対して平行な速度がある境界条件であり、後者は壁面での速度がゼロになるような境界上である。円柱構造物の周りの圧力分布を数値的に解く場合にも、計算領域の端に当たる領域に適切な境界条件を定める必要があるが、PIV解析で用いる格子空間の外縁と構造物の境界が不一致の場合には単純には境界条件を設定できず、例えば複数の境界値から1つの境界条件を補間処理で推定するといった手法が必要となり、計算コストが増加するだけでなく推定した境界条件に誤差が混入する要因ともなる。 Further, it is necessary to set boundary conditions when solving the aforementioned Poisson equation. The boundary condition includes a Dirichlet boundary condition that defines a value on the boundary and a Neumann boundary condition that defines a gradient value of the value on the boundary. In particular, there are “sliding wall boundary” and “fixed wall boundary” on the wall surface where fluid does not go in and out, the former is a boundary condition with a velocity parallel to the wall surface, and the latter has zero velocity on the wall surface. Is on such a boundary. Even when the pressure distribution around a cylindrical structure is solved numerically, it is necessary to set an appropriate boundary condition in the area corresponding to the end of the calculation area. However, the outer edge of the lattice space used in PIV analysis and the boundary of the structure do not match. In this case, it is not possible to simply set the boundary condition. For example, a method of estimating one boundary condition from a plurality of boundary values by interpolation processing is required, which not only increases the calculation cost but also causes an error in the estimated boundary condition. It becomes a factor to mix.
さらに、流体中で構造物が振動する等の現象によって構造物の境界の位置が変化する場合にも、上述した格子空間の外縁と構造物の境界の不一致という問題が生じる。 Furthermore, even when the position of the boundary of the structure changes due to a phenomenon such as the vibration of the structure in the fluid, the above-described problem of mismatch between the outer edge of the lattice space and the boundary of the structure occurs.
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、流体中に置かれた物体の境界面が曲面を有する形状であっても、また物体の境界が流体中で時間的に変位する場合であっても、物体周囲の流体の圧力、速度、温度等の物理量を高精度に且つ簡素に測定することができる物理量測定方法及び物理量測定装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and even when the boundary surface of an object placed in a fluid has a curved surface, the boundary of the object is displaced in time in the fluid. Even if it exists, it aims at providing the physical quantity measuring method and physical quantity measuring apparatus which can measure a physical quantity, such as the pressure of the fluid around an object, speed, temperature, etc. accurately and simply.
上記課題を解決するため、本発明に係る物理量測定方法は、曲面物体の周囲空間を所定の可視化媒体によって可視化し、可視化された前記周囲空間及び前記曲面物体を撮像して前記曲面物体の断面画像を含む画像データを取得し、前記画像データ中の前記周囲空間を複数の格子空間に分割し、夫々の前記格子空間の画像データから前記複数の格子空間の各格子点における物理量を求める、ステップを有し、前記格子空間に分割するステップでは、前記断面画像の外周に沿った形状の外縁をもつ複数の格子空間によって前記断面画像の周囲が前記各外縁に接して囲まれるように、前記周囲空間を複数の格子空間に分割する、ことを特徴とする。 In order to solve the above-described problem, the physical quantity measurement method according to the present invention visualizes the surrounding space of a curved object with a predetermined visualization medium, images the visualized surrounding space and the curved object, and obtains a cross-sectional image of the curved object. Obtaining the physical quantity at each lattice point of the plurality of lattice spaces from the image data of each of the lattice spaces, dividing the surrounding space in the image data into a plurality of lattice spaces, And in the step of dividing into the lattice space, the surrounding space is such that the periphery of the cross-sectional image is surrounded by and in contact with the outer edges by a plurality of lattice spaces having outer edges shaped along the outer periphery of the cross-sectional image. Is divided into a plurality of lattice spaces.
また、上記課題を解決するため、本発明に係る物理量測定装置は、トレーサー粒子が混入された流体を、前記流体中に置かれた曲面物体と共に撮像して前記曲面物体の断面画像を含む画像データを取得する撮像部と、粒子画像流速測定手法に基づいて、前記画像データから前記流体の速度ベクトルを求める画像解析部と、を備え、前記画像解析部は、前記断面画像の外周に沿った形状の外縁をもつ複数の格子空間によって前記断面画像の周囲が前記各外縁に接して囲まれるように、前記曲面物体の周囲空間を複数の格子空間に分割し、ある時刻に撮像された第1の画像データと、前記撮像時刻から所定のフレームタイムだけ後に撮像された第2の画像データとを用い、前記第1の画像データの格子空間の位置と、前記格子空間のトレーサー粒子画像と最も強い相関を示す前記第2の画像データのトレーサー粒子画像に対応する相関窓の位置との差、及び前記フレームタイムから、前記複数の格子空間の各格子点における流体の速度ベクトルを求める、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the physical quantity measuring device according to the present invention captures a fluid mixed with tracer particles together with a curved object placed in the fluid and includes image data including a cross-sectional image of the curved object. An image analysis unit that obtains a velocity vector of the fluid from the image data based on a particle image flow velocity measurement technique, and the image analysis unit has a shape along the outer periphery of the cross-sectional image The space surrounding the curved surface object is divided into a plurality of lattice spaces so that the periphery of the cross-sectional image is surrounded by the plurality of lattice spaces having outer edges of Using image data and second image data captured after a predetermined frame time from the imaging time, the position of the lattice space of the first image data, and the tracer particles of the lattice space From the difference between the position of the correlation window corresponding to the tracer particle image of the second image data showing the strongest correlation with the image and the frame time, the velocity vector of the fluid at each lattice point in the plurality of lattice spaces is obtained. It is characterized by that.
本発明に係る物理量測定方法及び物理量測定装置によれば、流体中に置かれた物体の境界面が曲面を有する形状であっても、また物体の境界が流体中で時間的に変位する場合であっても、物体周囲の流体の圧力、速度、温度等の物理量を高精度に且つ簡素に測定することができる。 According to the physical quantity measuring method and the physical quantity measuring device according to the present invention, even when the boundary surface of the object placed in the fluid has a curved surface, the boundary of the object is displaced in time in the fluid. Even so, physical quantities such as pressure, speed, and temperature of the fluid around the object can be measured with high accuracy and simplicity.
本発明の一実施形態に係る物理量測定方法及び物理量測定装置1について添付図面を参照して説明する。 A physical quantity measuring method and a physical quantity measuring apparatus 1 according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
物理量測定装置1は、物体の周囲空間の物理量を可視化媒体によって可視化し、可視化された周囲空間の物理量を撮像カメラで撮像し、得られた画像データを解析して物体周囲空間の物理量を測定する装置である。特に、本実施形態に係る物理量測定装置1は、物体の外周に近接する空間の物理量を高精度で測定することを可能とする装置である。 The physical quantity measuring device 1 visualizes a physical quantity in the surrounding space of an object with a visualization medium, images the visualized physical quantity in the surrounding space with an imaging camera, analyzes the obtained image data, and measures the physical quantity in the surrounding area of the object. Device. In particular, the physical quantity measuring device 1 according to the present embodiment is an apparatus that can measure a physical quantity in a space close to the outer periphery of an object with high accuracy.
以下では、物理量測定装置1が測定対象とする物理量として、物体の周囲を流れる流体の速度分布や圧力分布を例として説明する。流体の速度分布を測定する方法としてPIV解析手法がよく知られており、物理量測定装置1でも流体速度分布を測定する手法としてPIV解析手法を基本としている。 Hereinafter, the velocity distribution and pressure distribution of the fluid flowing around the object will be described as an example of the physical quantity to be measured by the physical quantity measuring device 1. The PIV analysis method is well known as a method for measuring the fluid velocity distribution, and the physical quantity measuring apparatus 1 is also based on the PIV analysis method as a method for measuring the fluid velocity distribution.
PIV解析では、トレーサー粒子と呼ばれる微細な粒子を可視化媒体として流体に混入させ、トレーサー粒子の単位時間当たりの移動量から流体の速度ベクトルの空間分布を求めている。また前述したとおり、PIV解析で得られた速度ベクトルと所定の境界条件を圧力ポアソン方程式(式1)に適用することによって、物体周囲を流れる流体の圧力分布を求めることができる。 In PIV analysis, fine particles called tracer particles are mixed into a fluid as a visualization medium, and the spatial distribution of the velocity vector of the fluid is obtained from the amount of movement of the tracer particles per unit time. Further, as described above, by applying the velocity vector obtained by the PIV analysis and a predetermined boundary condition to the pressure Poisson equation (Equation 1), the pressure distribution of the fluid flowing around the object can be obtained.
しかしながら、物理量測定装置1が測定対象とする物理量は速度分布や圧力分布に限定されるものではなく、例えば、物体の周囲空間の温度分布や、特定の化学物質の濃度分布等も測定対象となる。 However, the physical quantity to be measured by the physical quantity measuring apparatus 1 is not limited to the velocity distribution or the pressure distribution. For example, the temperature distribution in the surrounding space of the object, the concentration distribution of a specific chemical substance, and the like are also measured. .
例えば、温度に依存して反射特性が変化する染料等を可視化媒体として周囲空間に混入させ、染料からの光反射量の空間分布を画像データとして取得することにより、物体の周囲空間の温度分布を測定することができる。 For example, the temperature distribution of the surrounding space of the object can be obtained by mixing a dye or the like whose reflection characteristics change depending on the temperature into the surrounding space as a visualization medium and acquiring the spatial distribution of the amount of light reflected from the dye as image data. Can be measured.
また、特定の波長の光に対して反射する性質をもつ化学物質に対しては、流体に溶けた化学物質の光反射量の空間分布を画像データとして取得することにより、化学物質の濃度分布を測定することができる。 For chemical substances that reflect light of a specific wavelength, the concentration distribution of chemical substances can be determined by obtaining the spatial distribution of the amount of reflected light of chemical substances dissolved in the fluid as image data. Can be measured.
このように、物体の周囲空間の物理量を何らかの方法で可視化することができれば、可視化された物理量を画像データとして取得し、本実施形態に係る物理量測定装置1及び物理量測定方法を適用して、物体の外周に近接する空間の物理量を高精度で測定することができる。 As described above, if the physical quantity of the surrounding space of the object can be visualized by any method, the visualized physical quantity is acquired as image data, and the physical quantity measuring apparatus 1 and the physical quantity measuring method according to the present embodiment are applied to the object. The physical quantity of the space adjacent to the outer periphery of the can be measured with high accuracy.
(1)PIV解析手法
まず、本実施形態に係る物理量測定方法の基本となるPIV解析手法の概要及び物理量測定装置1の基本構成について説明する。
(1) PIV Analysis Method First, the outline of the PIV analysis method that is the basis of the physical quantity measurement method according to the present embodiment and the basic configuration of the physical quantity measurement device 1 will be described.
図1は、物理量測定装置1の構成例を示す図である。また、図2は、物理量測定装置1を用いて物体201の周囲を流れる流体200の物理量(この場合、速度分布及び圧力分布)を測定する方法を概念的に示す図である。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of the physical quantity measuring device 1. FIG. 2 is a diagram conceptually showing a method of measuring the physical quantity (in this case, velocity distribution and pressure distribution) of the fluid 200 flowing around the
物理量測定装置1は、撮像部10と画像解析部20を少なくとも有する構成となっている。撮像部10は、例えば高解像度の高速ビデオカメラである。画像解析部20は、撮像部10で撮像した画像データを解析する装置であり、例えばパーソナルコンピュータ等で実現される。
The physical quantity measuring device 1 has a configuration including at least an
測定対象である流体は、例えば水や空気であり、物体201を収容する閉空間を図示しないポンプ等で強制的に循環させている。水や空気はそのままでは撮像できないため、トレーサー粒子(可視化媒体)と呼ばれる微小粒子を流体に混入させている。レーザ光源100から発射されるシート状のレーザビームがトレーサー粒子によって散乱する。この散乱光を撮像部10で撮像することによって、流体の動きをトレーサー粒子の動きとして可視化することができる。トレーサー粒子は流体に対する高い追従性が求められ、流体の種類等に応じて適宜選択される。流体が水の場合は、例えば、粒径が約20μm、水との密度比が1.02のトレーサー(ORGASOL)等が好適である。
The fluid to be measured is, for example, water or air, and is forcedly circulated in a closed space that houses the
PIV解析では、トレーサー粒子が撮像された画像を多数の格子空間に分割し、格子空間ごとに速度ベクトルを求めている。従って、速度ベクトルは一点ではなく多点の空間分布として得られ、速度ベクトルの空間分解能は格子空間の大きさと一致することになる。 In the PIV analysis, an image obtained by capturing tracer particles is divided into a number of lattice spaces, and a velocity vector is obtained for each lattice space. Accordingly, the velocity vector is obtained as a multipoint spatial distribution instead of one point, and the spatial resolution of the velocity vector coincides with the size of the lattice space.
図3は、典型的なPIV解析手法を模式的に説明する図である。トレーサー粒子の画像データから速度ベクトルを求めるためには、異なる時刻で撮像された少なくとも2枚の画像データが必要である。 FIG. 3 is a diagram schematically illustrating a typical PIV analysis method. In order to obtain the velocity vector from the image data of the tracer particles, at least two pieces of image data captured at different times are required.
図3(a)は、時刻t=t0で撮像された第1の画像データを例示する図であり、図3(b)は、時刻t=t0+Δtで撮像された第2の画像データを例示する図である。Δtは特に限定するものではないが、例えば、撮像部10のフレームタイムである。第1、第2の画像データは、所定のピクセルサイズをもつ複数の格子空間に分割される。図3の例では、測定対象空間を縦3×横4の12の格子空間に分割している。
FIG. 3A illustrates the first image data captured at time t = t 0 , and FIG. 3B illustrates the second image data captured at time t = t 0 + Δt. FIG. Δt is not particularly limited, but is, for example, the frame time of the
PIV解析では、トレーサー粒子個々の動きを追うのではなく、時刻t=t0における格子空間内のトレーサー粒子の分布状態と、時刻t=t0+Δtにおけるトレーサー粒子の分布状態とのパターンマッチングを行っている。具体的には、(式2)に示す相互相関関数Rt0+Δt/2(Δx、Δy)を求める。
一方、It0+Δt(x+Δx、y+Δy)(x=−n〜+n、y=−n〜+n:nは整数)は、時刻t=t0+Δtおける相関窓の各ピクセルの輝度値である。注目格子空間と相関窓は同一形状、同一サイズであり、Δx、Δyは、注目格子空間に対する相関窓の変位量である(図3(b)参照)。 On the other hand, I t0 + Δt (x + Δx, y + Δy) (x = −n to + n, y = −n to + n: n is an integer) is a luminance value of each pixel of the correlation window at time t = t 0 + Δt. The target lattice space and the correlation window have the same shape and the same size, and Δx and Δy are the displacement amounts of the correlation window with respect to the target lattice space (see FIG. 3B).
時刻t=t0+Δtの画像データに対して、相関窓をx軸方向及びy軸方向にシフトさせながら(即ちΔx、Δyを変化させながら)相互相関関数Rt0+Δt/2(Δx、Δy)を順次求め、相互相関関数Rt0+Δt/2(Δx、Δy)が最大となる相関窓の変位量Δxm、Δymをさらに求める。相互相関関数Rt0+Δt/2(Δx、Δy)が最大となることから、時刻t=t0における格子空間内のトレーサー粒子が時刻t=t0+Δtでは“全体として”x軸方向にΔxm、y軸方向にΔymだけ移動したものと推定することができる。 For the image data at time t = t 0 + Δt, the cross-correlation function R t0 + Δt / 2 (Δx, Δy) is calculated while shifting the correlation window in the x-axis direction and the y-axis direction (that is, changing Δx, Δy). The correlation window displacement amounts Δxm and Δym that maximize the cross-correlation function R t0 + Δt / 2 (Δx, Δy) are further obtained. Cross-correlation function R t0 + Δt / 2 (Δx , Δy) is Δxm since the maximum, "as a whole" in the tracer particles time t = t 0 + Δt in the lattice space at time t = t 0 in the x-axis direction, y It can be estimated that it has moved by Δym in the axial direction.
変位量Δxm、Δymが求まれば、注目格子空間の格子点(図3(d)参照)における速度ベクトル(Vx=Δxm/Δt、Vy=Δym/Δt)が求まる。総ての格子空間に対して同じ処理を行うことにより、図3(c)に示したように、各格子空間に対応する格子点の速度ベクトルが空間分布として求められる。 If the displacement amounts Δxm and Δym are obtained, velocity vectors (Vx = Δxm / Δt, Vy = Δym / Δt) at the lattice points (see FIG. 3D) of the lattice space of interest are obtained. By performing the same processing for all the lattice spaces, the velocity vectors of the lattice points corresponding to the respective lattice spaces are obtained as a spatial distribution as shown in FIG.
図3に示した概念説明では流体中に物体が存在しない場合を例として説明している。これに対して、本実施形態に係る物理量測定装置1では、図4(a)及び図4(b)に示すように、流体中に角柱や円柱等の曲面物体が置かれたときの流体場の振る舞い(流体の速度ベクトルの空間分布や圧力の空間分布、或はこれらの時間的変化)をも測定対象としている。 In the conceptual description shown in FIG. 3, a case where no object exists in the fluid is described as an example. In contrast, in the physical quantity measuring device 1 according to the present embodiment, as shown in FIGS. 4A and 4B, a fluid field when a curved object such as a prism or a cylinder is placed in the fluid. (The spatial distribution of the velocity vector of the fluid and the spatial distribution of the pressure, or their temporal changes) are also measured.
特に、物体表面近傍の流体の速度分布や圧力分布を測定し、これらの測定結果から流体が物体に与える影響を解析することは前述したように実用上極めて重要である。 In particular, measuring the velocity distribution and pressure distribution of the fluid in the vicinity of the object surface and analyzing the influence of the fluid on the object from these measurement results are extremely important in practice as described above.
従来から行われているPIV解析では、流体中に置かれた物体の形状、向き、位置とは関係なく、撮像した画像データの任意の1点(例えば、画像データの左下の1点)を原点とする直交座標系(XY座標系)で表現し、画像データを方形の格子空間に分割していた。撮像カメラ(撮像部10)を水平に設置して撮像した場合には、水平方向がX軸となる。このため、物体の表面に近接した格子空間の画像データから速度や圧力を求める際に以下に示すような問題点が生じていた。 In a conventional PIV analysis, an arbitrary point (for example, one point on the lower left of the image data) of the captured image data is set as the origin regardless of the shape, orientation, and position of the object placed in the fluid. The image data is divided into a rectangular lattice space. When the imaging camera (imaging unit 10) is installed horizontally and imaged, the horizontal direction is the X axis. For this reason, the following problems have arisen when speed and pressure are obtained from image data in a lattice space close to the surface of the object.
図5(a)、(b)は、この問題点を説明する図である。この例では、流体中に角柱が置かれており、図5(a)、(b)に示すハッチング領域は角柱の断面画像を示している。図5(a)、(b)に示すように角柱の断面の各辺が垂直水平の位置から傾斜した状態で流体中に設置された場合等が問題となる。 5A and 5B are diagrams for explaining this problem. In this example, a prism is placed in the fluid, and the hatched areas shown in FIGS. 5A and 5B show cross-sectional images of the prism. As shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), there is a problem in the case where each side of the cross section of the prism is installed in the fluid in a state where it is inclined from the vertical horizontal position.
第1の問題は、PIV解析から得られる角柱外周近傍の速度ベクトルの値が誤差を持つという点である。 The first problem is that the velocity vector value near the outer periphery of the prism obtained from the PIV analysis has an error.
従来のPIV解析手法では、格子空間は方形でありその外縁は水平、垂直となるように設定される。このため、角柱外周に近接する格子空間の画像データには、流体中のトレーサー粒子画像だけでなく、角柱の断面画像も含まれてしまう。 In the conventional PIV analysis method, the lattice space is rectangular and its outer edge is set to be horizontal and vertical. For this reason, the image data of the lattice space close to the outer periphery of the prism does not only include the tracer particle image in the fluid, but also includes a cross-sectional image of the prism.
前述したように、PIV解析手法では、時刻t=t0における注目格子空間(図5(a)中に太い実線で囲んだ空間)内の各ピクセル(画素)の輝度値と、時刻t=t0+Δtおける相関窓(図5(b)中に太い破線で囲んだ空間)内の各ピクセルの輝度値との相互相関関数を使用して、Δtで移動するトレーサー粒子の変位量を求めている。 As described above, in the PIV analysis method, the luminance value of each pixel (pixel) in the target lattice space (the space surrounded by the thick solid line in FIG. 5A) at time t = t 0 and the time t = t Using the cross-correlation function with the luminance value of each pixel in the correlation window (space surrounded by a thick broken line in FIG. 5B) at 0 + Δt, the displacement amount of the tracer particle moving at Δt is obtained. .
流体(及び流体に混入されたトレーサー粒子)は、物体(角柱)の内部に入り込むことはなく、本来PIV解析上は物体の内部の画像は不必要なものである。しかしながら、従来のPIV解析手法では、角柱外周に近接する注目格子空間やこれに対応する相関窓の画像に角柱の断面画像が含まれてしまう。このため、相互相関関数にはトレーサー粒子画像の輝度値だけでなく角柱断面画像の輝度値が含まれてしまう。この結果、相互相関関数から求めるトレーサー粒子の変位量Δxm、Δymは、純粋にトレーサー粒子のみの変位量とならず、角柱断面画像の輝度値の影響を受けた誤差のある変位量となり、変位量Δxm、Δymから求める速度ベクトルも誤差をもつことになる。この誤差は、格子空間内に占める物体断面画像の比率が高くなるほど大きなものとなる。 The fluid (and tracer particles mixed in the fluid) do not enter the inside of the object (rectangular column), and an image inside the object is unnecessary in the PIV analysis. However, in the conventional PIV analysis method, the cross-sectional image of the prism is included in the image of the attention lattice space close to the outer periphery of the prism and the correlation window corresponding thereto. For this reason, the cross-correlation function includes not only the luminance value of the tracer particle image but also the luminance value of the prismatic cross-sectional image. As a result, the displacement amounts Δxm and Δym of the tracer particles obtained from the cross-correlation function are not purely displacement amounts of the tracer particles, but are displacement amounts having an error influenced by the luminance value of the prismatic cross-sectional image. The velocity vector obtained from Δxm and Δym also has an error. This error increases as the ratio of the object cross-sectional image in the lattice space increases.
第2の問題点は、PIV解析で得られた速度ベクトルを圧力ポアソン方程式(式1)に適用して圧力を求める際に、格子空間の格子点と物体の境界が一致しないことに起因して計算負荷が増加し、求めた圧力に誤差が含まれるという点である。 The second problem is that when the velocity vector obtained by the PIV analysis is applied to the pressure Poisson equation (Equation 1) to obtain the pressure, the lattice point of the lattice space and the boundary of the object do not coincide with each other. The calculation load increases and the obtained pressure includes an error.
前述したように、PIV解析では格子空間の各格子点において速度ベクトルが得られる。つまり、速度ベクトルは空間上の離散的な位置(即ち、各格子点の位置)の空間分布として得られる。一方、この速度ベクトルの空間分布を微分法的式である圧力ポアソン方程式(式1)に適用して物体近傍の圧力分布を得るためには、物体の境界条件(物体表面における圧力や速度、或はこれらの勾配)を入力する必要がある。 As described above, in the PIV analysis, a velocity vector is obtained at each lattice point in the lattice space. That is, the velocity vector is obtained as a spatial distribution of discrete positions in space (that is, the positions of the lattice points). On the other hand, in order to obtain the pressure distribution near the object by applying the spatial distribution of the velocity vector to the pressure Poisson equation (Equation 1) which is a differential method, the boundary condition of the object (pressure or velocity on the object surface, or Need to enter these gradients).
物体の境界と格子点が一致しない場合、格子点近くにある物体の境界上の1点或は複数点での境界条件を補間処理等によって格子点位置における境界条件に変換しなければならず、この補間処理に要する計算負荷が増加する。また、補間処理によって格子点位置における境界条件を求めたとしてもその値はあくまで推定値であるため、格子点と境界が完全に一致しているときの境界条件に比べると何らかの誤差を含むことになる。 If the boundary of the object and the grid point do not match, the boundary condition at one or more points on the boundary of the object near the grid point must be converted to the boundary condition at the grid point position by interpolation processing, etc. The calculation load required for this interpolation processing increases. In addition, even if the boundary condition at the grid point position is obtained by interpolation processing, the value is only an estimated value, so that it includes some error compared to the boundary condition when the grid point and the boundary completely match. Become.
上述した2つの問題点は、物体が円柱のような曲面物体の場合にも同様に発生する。図6(a)、(b)はこのことを示す図であり、図のハッチング領域が円柱の断面円に対応している。図6(a)、(b)に示したように、従来のPIV解析手法で用いられる格子空間や相関窓の画像データでは、円柱の外周近傍においてトレーサー粒子画像だけではなく円柱断面の画像も含まれる。このため、角柱の場合と同様に円柱断面の輝度値の影響を受け、得られた速度ベクトルの値は誤差を含むものとなる。 The two problems described above also occur when the object is a curved object such as a cylinder. 6 (a) and 6 (b) are diagrams showing this, and the hatched area in the figure corresponds to a circular cross-sectional circle. As shown in FIGS. 6A and 6B, the lattice space and correlation window image data used in the conventional PIV analysis method include not only tracer particle images but also cylindrical cross-sectional images in the vicinity of the outer periphery of the cylinder. It is. For this reason, as in the case of the prism, it is affected by the luminance value of the cylindrical section, and the obtained velocity vector value includes an error.
また、格子点と円柱外周が一致しないため、圧力ポアソン方程式に境界条件を適用する際には、前述したように計算負荷が増大する一方、誤差発生の要因となる。 In addition, since the lattice points do not coincide with the outer circumference of the cylinder, when the boundary condition is applied to the pressure Poisson equation, the calculation load increases as described above, which causes an error.
(2)第1の実施例
上記の2つの問題点を解決するため、本実施形態に係る物理量測定装置1及び物理量測定方法(第1の実施例)では、図7(b)に示すように、物体の周囲の格子空間の外縁が角柱の外周面と平行かつ一致するように、物体周囲の空間を格子空間で分割するようにしている。
(2) First Example In order to solve the above two problems, in the physical quantity measuring device 1 and the physical quantity measuring method (first example) according to this embodiment, as shown in FIG. The space around the object is divided by the lattice space so that the outer edge of the lattice space around the object is parallel and coincides with the outer peripheral surface of the prism.
従来のPIV解析では、水平・垂直なX軸とY軸をもつ直交座標系によって角柱の姿勢に関係なく角柱周囲の空間を格子空間で分割していた。これに対して第1の実施例では、格子空間の外縁が角柱の外周面と平行かつ一致するように、直交座標系で表現された画像データを回転移動、平行移動させて角柱周囲の空間を格子空間で分割している。 In the conventional PIV analysis, the space around the prism is divided into a lattice space regardless of the orientation of the prism by an orthogonal coordinate system having horizontal and vertical X and Y axes. On the other hand, in the first embodiment, the image data expressed in the orthogonal coordinate system is rotated and translated so that the outer edge of the lattice space is parallel and coincides with the outer peripheral surface of the prism. It is divided in a lattice space.
図7(b)に示すような格子空間で物体周囲を分割することによって、角柱の周囲の格子空間には角柱断面の画像が含まれず、注目格子空間や相関窓の画像データから角柱断面画像の影響を排除することが可能となる。この結果、上述した第1の問題点が解決され、物体周囲の流体の速度ベクトルを高い精度で得ることができる。 By dividing the object periphery in the lattice space as shown in FIG. 7 (b), the lattice space around the prism does not include the image of the cross section of the prism. It becomes possible to eliminate the influence. As a result, the first problem described above is solved, and the velocity vector of the fluid around the object can be obtained with high accuracy.
また、角柱の外周にある格子空間の外縁と角柱の外周面とが一致しているため、圧力ポアソン方程式で必要となる境界条件も格子点の位置に直接適用することができる。従って補間処理は不要であり、計算負荷が低減されるだけでなく、圧力ポアソン方程式から得られる物体近傍の流体圧力も高い精度で得ることができる。 Further, since the outer edge of the lattice space on the outer periphery of the prism is coincident with the outer peripheral surface of the prism, the boundary condition required in the pressure Poisson equation can be directly applied to the position of the lattice point. Therefore, interpolation processing is unnecessary, not only the calculation load is reduced, but also the fluid pressure near the object obtained from the pressure Poisson equation can be obtained with high accuracy.
なお、上述したように、撮像した画像データを回転・平行移動させて格子空間の外縁を角柱外周に一致させてもよいが、撮像カメラ(撮像部10)自体を回転・平行移動させることによって格子空間の外縁を角柱外周に一致させてもよい。 As described above, the captured image data may be rotated / translated to align the outer edge of the lattice space with the outer periphery of the prism, but the image capturing camera (imaging unit 10) itself can be rotated / translated to rotate the lattice. The outer edge of the space may coincide with the outer periphery of the prism.
(3)第2の実施例
第1の実施例は、表面が平面である物体(角柱等)に対して効果的な手法であるが、格子空間の形状が方形であるため、断面外周が曲線となる円柱等の曲面物体に対しては格子空間の外縁と物体断面の外周とを完全に一致させることができない。
(3) Second Example The first example is an effective method for an object (such as a prism) whose surface is flat. However, since the shape of the lattice space is square, the outer periphery of the cross section is curved. For a curved surface object such as a cylinder, the outer edge of the lattice space and the outer periphery of the object cross section cannot be completely matched.
第2の実施例は、断面外周が円となる曲面物体に対しても適用可能な方法を提供するものである。 The second embodiment provides a method that can also be applied to a curved object having a circular cross-section outer periphery.
図8は、第2の実施例に係る物理量測定方法の処理例を示すフローチャートである。第2の実施例においても、測定する物理量としては流体の速度ベクトルと圧力を対象としている。 FIG. 8 is a flowchart illustrating a processing example of the physical quantity measurement method according to the second embodiment. Also in the second embodiment, the physical quantity to be measured is the fluid velocity vector and pressure.
ステップST1及びステップST2では、円柱の周囲空間にある流体をトレーサー粒子によって可視化し、可視化された周囲空間及び円柱を撮像し、円柱の断面画像を含む画像データを取得する。 In step ST1 and step ST2, the fluid in the surrounding space of the cylinder is visualized by the tracer particles, the visualized surrounding space and the cylinder are imaged, and image data including a cross-sectional image of the cylinder is acquired.
ステップST3では、断面画像の外周に沿った形状の外縁をもつ複数の格子空間によって断面画像の周囲が格子空間の外縁に接して囲まれるように、周囲空間を複数の格子空間に分割する。 In step ST3, the peripheral space is divided into a plurality of lattice spaces so that the periphery of the cross-sectional image is surrounded by the plurality of lattice spaces having outer edges shaped along the outer periphery of the cross-sectional image.
そして、ステップST4において、分割した格子空間の画像データから各格子点における物理量(速度ベクトルと圧力)を求める。 In step ST4, the physical quantity (velocity vector and pressure) at each lattice point is obtained from the image data of the divided lattice space.
図9は、ステップST3とステップST4のより具体的な処理例を示すフローチャートである。ステップST10からステップST13までの処理が図8のステップST3の具体例であり、ステップST14及びST15の処理が図8のステップST4の具体例である。 FIG. 9 is a flowchart showing a more specific processing example of step ST3 and step ST4. The processing from step ST10 to step ST13 is a specific example of step ST3 in FIG. 8, and the processing of steps ST14 and ST15 is a specific example of step ST4 in FIG.
ステップST10では、画像データから円柱の断面画像の外周円を求めている。具体的には、円柱の断面画像は周囲空間に比べて高い輝度値をもつため、所定の閾値よりも高い輝度値をもつ領域の中心位置が円柱断面(円形)の中心位置であるとし、この中心位置に対して既知である円柱半径の円を描くことによって断面画像の外周円を求めている。 In step ST10, the outer circumference circle of the cross-sectional image of the cylinder is obtained from the image data. Specifically, since the cross-sectional image of the cylinder has a higher brightness value than the surrounding space, the center position of the area having a brightness value higher than a predetermined threshold is the center position of the cylinder cross-section (circular). The outer circumference circle of the cross-sectional image is obtained by drawing a circle with a known cylinder radius with respect to the center position.
ステップST11では、外周円の中心から放射状に延びる複数の放射直線と、断面画像の外周円及びその外側に引かれる複数の同心円によって、円柱物体の周囲空間を複数の弓形格子空間に分割している。 In step ST11, the surrounding space of the cylindrical object is divided into a plurality of arcuate lattice spaces by a plurality of radial straight lines extending radially from the center of the outer circumference circle and a plurality of concentric circles drawn outside the outer circumference circle of the cross-sectional image. .
図10(a)は従来のPIV解析で用いられている方形の格子空間による分割を示しており(図6と同じ分割方法)、図10(a)は第2の実施例で用いる弓形格子空間による分割を示している。 FIG. 10A shows division by a rectangular lattice space used in the conventional PIV analysis (the same division method as in FIG. 6), and FIG. 10A shows an arcuate lattice space used in the second embodiment. Shows the division by.
第2の実施例では、格子空間の形状が弓形となっており、円柱外周を囲む各格子空間は、円柱外周に対向する外縁(円弧)が円柱外周に総て一致している。このため、円柱外周を囲む各格子空間の画像データには円柱の断面画像が含まれず、流体中のトレーサー粒子画像のみが含まれることになる。この結果、各格子空間の画像データから得られる速度ベクトルは円柱の断面画像の影響を受けることがない。 In the second embodiment, the shape of the lattice space is an arcuate shape. In each lattice space surrounding the outer periphery of the cylinder, the outer edges (arcs) facing the outer periphery of the cylinder all coincide with the outer periphery of the cylinder. For this reason, the image data of each lattice space surrounding the outer periphery of the cylinder does not include the cross-sectional image of the cylinder, but includes only the tracer particle image in the fluid. As a result, the velocity vector obtained from the image data of each lattice space is not affected by the cross-sectional image of the cylinder.
また、円柱外周の境界は円柱外周を囲む各格子空間の格子点上にあるため、圧力ポアソン方程式に適用する境界条件の位置を格子点の位置に正確に合致させることができる。 In addition, since the boundary of the outer periphery of the cylinder is on the lattice point of each lattice space surrounding the outer periphery of the cylinder, the position of the boundary condition applied to the pressure Poisson equation can be exactly matched to the position of the lattice point.
ステップST12では、上記の弓形格子空間の形状に対応させて、画像データの画素位置を直交座標系(XY座標系)から同心円の中心を原点とする極座標系(θ、r)に変換して表現する。図10(b)に示すように、θは極座標の偏角であり、rは動径である。また、ステップST12では、極座標で表現したときのピクセル位置(θm、rn)における輝度Im、nを、次のようにして求めている。 In step ST12, the pixel position of the image data is converted from the orthogonal coordinate system (XY coordinate system) to the polar coordinate system (θ, r) with the center of the concentric circle as the origin, corresponding to the shape of the arcuate lattice space. To do. As shown in FIG. 10B, θ is a polar coordinate declination, and r is a moving radius. In step ST12, the luminance Im, n at the pixel position (θ m , r n ) when expressed in polar coordinates is obtained as follows.
まず、ピクセル位置(θm、rn)に対応する直交座標のピクセル位置(xmn、ymn)を、次式のように(θm、rn)で表現する。
次に、ピクセル位置(xmn、ymn)に最も近い周囲の4ピクセルを探し、それらの輝度値を図11に示すように、I1、I2、I3、I4とする。また、これら4ピクセルと(xmn、ymn)との距離を求め、夫々r1、r2、r3、r4とする。そして、極座標で表現したピクセル位置(θm、rn)におけるIm、nを次式から求める。
次に、ステップST13では、極座標で表現された画像データを、横軸が偏角θ、縦軸が動径rとなる座標(この座標を以下、θ・r座標と呼ぶ)に展開する。 Next, in step ST13, the image data expressed in polar coordinates is developed into coordinates whose horizontal axis is the declination angle θ and whose vertical axis is the moving radius r (hereinafter, these coordinates are referred to as θ · r coordinates).
図12(a)は、直交座標で表現されている画像データ(円柱断面画像とトレーサー粒子画像)に、極座標で表現された座標軸と弓形格子空間を重ねて示した図である。これに対して、図12(b)は、画像データを極座標で表現し、さらにθ・r座標に展開した画像データを模式的に示す図である。 FIG. 12A is a diagram in which image data (cylindrical cross-sectional image and tracer particle image) expressed in orthogonal coordinates are superimposed on a coordinate axis expressed in polar coordinates and an arcuate lattice space. On the other hand, FIG. 12B is a diagram schematically showing image data expressed in polar coordinates and further developed into θ · r coordinates.
図12(b)における横軸の偏角θは0から2πの範囲であり、縦軸の動径rは、円柱の外周円の半径Rinnerから最大測定範囲を示す最大同心円の半径Rmaxの範囲である。 In FIG. 12B, the horizontal axis declination θ ranges from 0 to 2π, and the vertical axis radial radius r ranges from the radius R inner of the outer circumferential circle of the cylinder to the radius Rmax of the maximum concentric circle indicating the maximum measurement range. It is.
次のステップST14では、θ・r座標に展開した画像データに対してPIV解析を実施し、各格子点の速度ベクトルを求める。具体的には、θ・r座標に展開された時刻t=t0と時刻t=t0+Δtの2つの画像データから各格子点の速度ベクトルを求める。 In the next step ST14, PIV analysis is performed on the image data developed in the θ · r coordinate, and the velocity vector of each lattice point is obtained. Specifically, the velocity vector of each grid point is obtained from two image data of time t = t 0 and time t = t 0 + Δt developed in the θ · r coordinate.
ステップST11で設定した弓形格子空間(図12(a)参照)は動径rに応じて偏角方向の長さが異なっているが、θ・r座標に展開した後の格子空間は、図12(b)に示すように総て同じ大きさの方形格子空間となっている。このことは、第2の実施例におけるPIV解析のソフトウェアとして、XY座標系を用いた従来のPIV解析用のソフトウェアがそのまま利用できることを意味している。 The arcuate lattice space set in step ST11 (see FIG. 12 (a)) has different declination lengths depending on the radius r, but the lattice space after the expansion into the θ · r coordinates is as shown in FIG. As shown in (b), all are rectangular lattice spaces of the same size. This means that conventional PIV analysis software using the XY coordinate system can be used as it is as PIV analysis software in the second embodiment.
ただし、第2の実施例における方形格子空間では、円柱外周に近接する格子空間においても円柱の断面画像の影響が完全に排除されており、この点が従来のPIV解析とは大きく異なっている。 However, in the square lattice space in the second embodiment, the influence of the cross-sectional image of the cylinder is completely eliminated even in the lattice space close to the outer periphery of the cylinder, which is greatly different from the conventional PIV analysis.
最後に、ステップST15では、求めた速度ベクトルと円柱外周面の境界条件を圧力ポアソン方程式に適用して物体周囲空間の圧力を算出する。この場合にも、境界条件の設定位置は、θ・r座標に展開された方形格子空間の格子点に合致することになる。 Finally, in step ST15, the pressure in the space around the object is calculated by applying the obtained boundary condition between the velocity vector and the outer peripheral surface of the cylinder to the pressure Poisson equation. Also in this case, the setting position of the boundary condition coincides with the lattice point of the rectangular lattice space expanded to the θ · r coordinate.
上述した第2の実施例は、円形の断面をもつ曲面物体に対する最適な形状の格子空間(弓形の格子空間)によって物体周囲空間を分割する手法を提供している。 The second embodiment described above provides a method of dividing an object surrounding space by a lattice space having an optimal shape (curved lattice space) for a curved object having a circular cross section.
これをさらに拡張して、任意の断面形状をもつ曲面物体に対して、断面画像の外周に沿って格子空間の外縁が断面画像の外周に一致するような格子空間、即ち、図13に例示するような、いわゆる非構造格子によって、物体の周囲空間を分割するようにしてもよい。 This is further expanded to illustrate a lattice space in which the outer edge of the lattice space coincides with the outer periphery of the cross-sectional image along the outer periphery of the cross-sectional image with respect to a curved object having an arbitrary cross-sectional shape, ie, illustrated in FIG. The surrounding space of the object may be divided by a so-called unstructured grid.
非構造格子によって物体の周囲空間を分割することにより、任意の断面形状をもつ曲面物体に対しても格子空間の外縁を物体の断面外周に一致させることが可能となり、物体に近接した領域における流体の速度ベクトル分布や圧力分布を高精度で得ることができる。 By dividing the surrounding space of the object with an unstructured grid, it is possible to match the outer edge of the lattice space to the outer periphery of the cross section of a curved object with an arbitrary cross-sectional shape. The velocity vector distribution and the pressure distribution can be obtained with high accuracy.
(4)第3の実施例
流体中に物体が置かれた場合、流体の影響によって物体の位置が振動等によって変化することがある。このような場合、図14(a)に模式的に示したように、第1、第2の実施例で設定した格子空間の外縁は物体の外周と一致しなくなる。
(4) Third Example When an object is placed in a fluid, the position of the object may change due to vibration or the like due to the influence of the fluid. In such a case, as schematically shown in FIG. 14A, the outer edge of the lattice space set in the first and second embodiments does not coincide with the outer periphery of the object.
そこで、第3の実施例では、物体周囲を格子空間で分割する前に、物体の外周を画像データから推定して求め、求めた外周に対して外縁が接するように格子空間を設定している。換言すれば、物体の外周位置が変化した場合、その変化に適応させて格子空間を動的に設定するようにしている。 Therefore, in the third embodiment, before the object periphery is divided in the lattice space, the outer periphery of the object is estimated from image data, and the lattice space is set so that the outer edge is in contact with the determined outer periphery. . In other words, when the outer peripheral position of the object changes, the lattice space is dynamically set according to the change.
例えば、物体が円柱の場合、図14(b)に示すように、画像データから円柱の外周位置を先に確定し、その後確定した円柱の外周に外縁が接するような極座標系の格子空間で周囲空間を分割する。この方法によれば、流体の影響によって物体の位置が絶えず変化するような場合でも、物体断面画像の影響が常に排除された画像データから物体周囲の速度ベクトルや圧力を高い精度で求めることができる。 For example, when the object is a cylinder, as shown in FIG. 14 (b), the circumference position of the cylinder is first determined from the image data, and then the surroundings in a polar coordinate system lattice space in which the outer edge is in contact with the determined outer circumference of the cylinder Divide the space. According to this method, even when the position of the object constantly changes due to the influence of the fluid, the velocity vector and pressure around the object can be obtained with high accuracy from the image data in which the influence of the object cross-sectional image is always excluded. .
物体外周の位置を求める方法は特に限定するものではなく、例えば、円柱物体の断面円の半径が既知の場合、断面円の画像データから断面円の中心位置を推定し、推定した中心位置に既知の半径の円を描くことで物体の外周円を確定することができる。また、撮像した画像データに断面円の画像が明確に撮像されている場合には撮像画像から直接外周円の位置を確定することもできる。任意の断面形状の物体に対しても、断面画像の中の1つ又は複数の特定点の位置を画像データから求め、求めた特定点の位置と物体断面外周との相対的位置関係から物体の断面外周を推定するようにしてもよい。 The method for obtaining the position of the outer periphery of the object is not particularly limited. For example, when the radius of the cross-sectional circle of the cylindrical object is known, the center position of the cross-sectional circle is estimated from the image data of the cross-sectional circle, and the estimated center position is known. It is possible to determine the outer circle of the object by drawing a circle with a radius of. Further, when a cross-sectional circle image is clearly captured in the captured image data, the position of the outer circumference circle can be determined directly from the captured image. For an object having an arbitrary cross-sectional shape, the position of one or more specific points in the cross-sectional image is obtained from the image data, and the position of the object is determined from the relative positional relationship between the obtained position of the specific point and the outer cross-section of the object. You may make it estimate a cross-sectional outer periphery.
以上に説明してきたように、本実施形態に係る物理量測定装置1及び物理量測定方法によれば、流体中に置かれた物体の境界面が曲面を有する形状であっても、また物体の境界が流体中で時間的に変位する場合であっても、物体周囲の流体の圧力、速度、温度等の物理量を高精度に且つ簡素に測定することができる。 As described above, according to the physical quantity measuring device 1 and the physical quantity measuring method according to the present embodiment, even if the boundary surface of the object placed in the fluid has a curved surface, the boundary of the object is Even in the case of temporal displacement in a fluid, physical quantities such as pressure, velocity, temperature, etc. of the fluid around the object can be measured with high accuracy and simplicity.
なお、本発明は上記の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせても良い。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, the constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
1 物理量測定装置、10 撮像部、20 画像解析部。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Physical quantity measuring apparatus, 10 imaging part, 20 Image analysis part.
Claims (10)
可視化された前記周囲空間及び前記曲面物体を撮像して前記曲面物体の断面画像を含む画像データを取得し、
前記画像データ中の前記周囲空間を複数の格子空間に分割し、
夫々の前記格子空間の画像データから前記複数の格子空間の各格子点における物理量を求める、
ステップを有し、
前記格子空間に分割するステップでは、
前記断面画像の外周に沿った形状の外縁をもつ複数の格子空間によって前記断面画像の周囲が前記各外縁に接して囲まれるように、前記周囲空間を複数の格子空間に分割する、
ことを特徴とする物理量測定方法。 Visualize the surrounding space of the curved object with a predetermined visualization medium,
Imaging the surrounding space and the curved object visualized to obtain image data including a cross-sectional image of the curved object;
Dividing the surrounding space in the image data into a plurality of lattice spaces;
A physical quantity at each lattice point of the plurality of lattice spaces is determined from the image data of each of the lattice spaces.
Has steps,
In the step of dividing into the lattice space,
Dividing the peripheral space into a plurality of lattice spaces so that the periphery of the cross-sectional image is surrounded by and in contact with the outer edges by a plurality of lattice spaces having outer edges shaped along the outer periphery of the cross-sectional image;
A physical quantity measuring method characterized by the above.
前記物理量を求めるステップでは、ある時刻に撮像された第1の画像データと、前記撮像時刻から所定のフレームタイムだけ後に撮像された第2の画像データとを用い、前記第1の画像データの格子空間の位置と、前記格子空間のトレーサー粒子画像と最も強い相関を示す前記第2の画像データのトレーサー粒子画像に対応する相関窓の位置との差、及び前記フレームタイムから、前記各格子点における流体の速度ベクトルを求める、
ことを特徴とする請求項1に記載の物理量測定方法。 In the visualization step, the fluid around the curved object is visualized by tracer particles,
In the step of obtaining the physical quantity, the first image data captured at a certain time and the second image data captured after a predetermined frame time from the imaging time are used, and a grid of the first image data is used. From the difference between the position of the space and the position of the correlation window corresponding to the tracer particle image of the second image data showing the strongest correlation with the tracer particle image of the lattice space, and the frame time, Find the velocity vector of the fluid,
The physical quantity measuring method according to claim 1, wherein:
ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項2に記載の物理量測定方法。 Applying the determined velocity vector to the Poisson equation that defines the relationship between the spatial distribution of pressure and the spatial distribution of velocity vector, to determine the fluid pressure around the curved object,
The physical quantity measuring method according to claim 2, further comprising a step.
前記画像データに含まれる前記断面画像は円形であり、
前記格子空間に分割するステップでは、
前記円形の中心から放射状に延びる複数の直線と、前記断面画像の外周円及びその外側に引かれる複数の同心円とによって前記周囲空間を複数の弓形格子空間に分割する、
ことを特徴とする請求項3に記載の物理量測定方法。 The curved object is an object having a circular cross section,
The cross-sectional image included in the image data is circular,
In the step of dividing into the lattice space,
Dividing the surrounding space into a plurality of arcuate lattice spaces by a plurality of straight lines extending radially from the center of the circle and a plurality of concentric circles drawn on the outer circumference and the outside of the cross-sectional image;
The physical quantity measuring method according to claim 3.
前記極座標で表現された前記第1、第2の画像データを、横軸が偏角θ、縦軸が動径rで表現されるθ・r座標に展開し、前記θ・r座標に展開された前記第1、第2の画像データに基づいて前記速度ベクトルを求める、ことを特徴とする請求項5に記載の物理量測定方法。 In the step of obtaining the velocity vector,
The first and second image data expressed in the polar coordinates are expanded into θ · r coordinates where the horizontal axis is expressed by the declination θ and the vertical axis is expressed by the radius r, and are expanded into the θ · r coordinates. 6. The physical quantity measuring method according to claim 5, wherein the velocity vector is obtained based on the first and second image data.
前記断面画像の外周を前記画像データから推定する、ステップをさらに備え、
前記格子空間に分割するステップでは、
推定された前記断面画像の外周に基づいて前記周囲空間を複数の格子空間に分割する、
ことを特徴とする請求項2又は6に記載の物理量測定方法。 The curved object is an object whose position can be displaced in the fluid,
Estimating the outer periphery of the cross-sectional image from the image data, further comprising:
In the step of dividing into the lattice space,
Dividing the surrounding space into a plurality of lattice spaces based on the estimated outer periphery of the cross-sectional image;
The physical quantity measuring method according to claim 2, wherein the physical quantity is measured.
ことを特徴とする請求項1に記載の物理量測定方法。 The lattice space is a lattice space generated by an unstructured lattice.
The physical quantity measuring method according to claim 1, wherein:
粒子画像流速測定手法に基づいて、前記画像データから前記流体の速度ベクトルを求める画像解析部と、
を備え、
前記画像解析部は、
前記断面画像の外周に沿った形状の外縁をもつ複数の格子空間によって前記断面画像の周囲が前記各外縁に接して囲まれるように、前記曲面物体の周囲空間を複数の格子空間に分割し、
ある時刻に撮像された第1の画像データと、前記撮像時刻から所定のフレームタイムだけ後に撮像された第2の画像データとを用い、前記第1の画像データの格子空間の位置と、前記格子空間のトレーサー粒子画像と最も強い相関を示す前記第2の画像データのトレーサー粒子画像に対応する相関窓の位置との差、及び前記フレームタイムから、前記複数の格子空間の各格子点における流体の速度ベクトルを求める、
ことを特徴とする物理量測定装置。 An imaging unit that captures a fluid mixed with tracer particles together with a curved object placed in the fluid and acquires image data including a cross-sectional image of the curved object;
Based on a particle image flow velocity measurement technique, an image analysis unit for obtaining a velocity vector of the fluid from the image data;
With
The image analysis unit
Dividing the peripheral space of the curved object into a plurality of lattice spaces so that the periphery of the cross-sectional image is surrounded by the plurality of lattice spaces having outer edges shaped along the outer periphery of the cross-sectional image;
Using the first image data captured at a certain time and the second image data captured after a predetermined frame time from the imaging time, the position of the lattice space of the first image data, and the lattice From the difference between the position of the correlation window corresponding to the tracer particle image of the second image data showing the strongest correlation with the tracer particle image of the space, and the frame time, the fluid at each lattice point of the plurality of lattice spaces Find the velocity vector,
A physical quantity measuring device characterized by that.
前記画像データに含まれる前記断面画像は円形であり、
前記画像解析部は、
前記円形の中心から放射状に延びる複数の直線と、前記断面画像の外周円及びその外側に引かれる複数の同心円とによって前記周囲空間を複数の弓形格子空間に分割し、前記第1、第2の画像データの座標を、前記円形の中心を原点とする極座標で表現する、
ことを特徴とする請求項9に記載の物理量測定装置。 The curved object is an object having a circular cross section,
The cross-sectional image included in the image data is circular,
The image analysis unit
The surrounding space is divided into a plurality of arcuate lattice spaces by a plurality of straight lines extending radially from the center of the circle and a plurality of concentric circles drawn on the outer circumference circle and the outside of the cross-sectional image, and the first, second The coordinates of the image data are expressed by polar coordinates with the center of the circle as the origin.
The physical quantity measuring device according to claim 9.
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---|---|---|---|
JP2009128707A JP2010276448A (en) | 2009-05-28 | 2009-05-28 | Physical quantity measuring method and physical quantity measuring apparatus around object |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2013088336A (en) * | 2011-10-20 | 2013-05-13 | Ricoh Co Ltd | Speed detection device, moving member carrier unit, and image forming apparatus |
CN106768442A (en) * | 2016-12-23 | 2017-05-31 | 洛阳拖拉机研究所有限公司 | A kind of DPF carrier insides temperature field testing device and method of testing |
JP2017161329A (en) * | 2016-03-09 | 2017-09-14 | 株式会社ジェイテクト | Flow velocity distribution measurement method |
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2009
- 2009-05-28 JP JP2009128707A patent/JP2010276448A/en active Pending
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