熱流体工学6章: 計測技術

千葉大学工学部機械工学科担当者 武居昌宏

参考図書熱流体工学の基礎井口学, 武居昌宏, 松井剛一朝倉書店, 2008 ISBN 4254231210

測定する物理量スカラー量 圧力、温度、濃度、体積率、

ボイド率、流量、凝集分散度、pHベクトル量 速度

非破壊・非接触・非侵襲計測一次元計測⇒多次元化・多成分化

三次元空間+時間3C3D ⇒ 3C4D

いかに速く 時間解像度MHzオーダー

いかに細かく 空間解像度1nmオーダー

流体計測・混相流体計測の最近のトレンド

3

•押される．

•涼しい，寒い．

•木葉が舞う．

雲が流れる．

•触覚（圧力）

ピトー管

熱線風速計

ＰＩＶ，ＰＴＶ

•触覚（温度）

•視覚

目に見えない流れ(単相流)を視る方法の例

金属製曲管の弾性を利用0～200[MPa]の高圧まで測定可能。

内部圧力上昇により、だ円形断面は円形になろうとし、曲管がまっ直ぐになろうと自由端が伸びる。その運動はリンクDと歯車とを介して指針Cを回す。

6.1.ブルドン管圧力計

6.3.ダイヤフラム(弾性隔膜)式圧力計

約3[MPa]までの高精度の圧力測定が

可能。測定流体とブルドン管間に金属板を密着させたダイヤフラムを設け、ダイヤフラムを変形させ、圧力を測定する。ダイヤフラムの径を大きくすることで、大きい変位で直線性を得る。

6.2.マノメータ 圧力計測

11ghpp AB

22011 ghpghppp ACB

(2.1)

(2.2)

測定可能圧力は約70[kPa]以下と比較的小さい。pA:A点の圧力、 ρ1:密度、ρ2:U字管内の液体密度、p0:U字管の他端の大気圧

220 ghppC

よってA点の絶対圧力は、 0112201122 phhgpghghpA

ゲージ圧力では、 112211220 hhgghghppA

ρ1、ρ2とh1、h2が求まれば、管内圧力を求められる。

(2.3)

(2.4)

B点の圧力は同一水平面上のC点の圧力と等しい

B点とC点の圧力は

6.7ベンチュリ管ベルヌーイの定理より、

22

2

22

2

11 vpvp

2

1

2

2

221 12 A

Avpp

212

1

2

2

2

1

1pp

A

A

v

212

1

2

222

2

1

pp

A

A

AvAQ

(7.1)

(7.3)

(7.4)

(7.5)

1

221

A

Avv 連続の式

(7.2)

流量QをA1,A2,ρ,ρs,h1,h2,gで表す

前ページ式(2.4)で

1221 hhgpp s

210 ppppA

1 s 2

h1

h2

122

1

2

2 2

1

hhg

A

A

AQ s

7.8 タービン流量計(羽根車式流量計)

流れ

回転

回転軸

図8.1 軸流羽根車式流量計

http://www.hitech-flow.co.jp/turbine.html

E:電場i:誘導電流

u:流動方向

H:磁場●磁場に関する基本式𝐁 = 𝜇𝐇 𝐢 = σE

E:電場[V/m], B:磁束密度[T]=[Wb/m2], μ:流体の透磁率[H/m], H:磁場[N/Wb]=[A/m], i:電流密度[A/m2], σ:導電率[S/m], V:起電力[V], ΦB:磁束[Wb]

ファラデーの電磁誘導の法則#1

●フレミング右手の法則

静止流体で磁束密度Bが変化すると

ストークスの定理

両辺を面積Aで積分

VLA

LEAE ddrot

ttt

B

AA d

dd

d

dd

ABA

B tV B

d

d

http://www.daido-electronics.co.jp/qa/magnet_lexicon/ha/ha16.html

静止磁場で流体が移動すると・・

H

B

A:面積 L:経路

ΦB

t

BErot

I:電流H:磁場

F:力導電性流体内経路L上の電子に働くローレンツ力

位置r上の電場E

起電力V(r)は、Bが一様と仮定すると

dLベクトルはdtの間にu(r)dtだけ動く。流体がdt時間移動するとdL上を貫く磁束は

経路L上で積分し両辺をdtで割ると、

)()()( rBrurF e

)()()( rBrurE

LL

rV LBruLrE d)(d)()(

ttrΦB dd)(dd)()(d2 LBruLruB

L

B

t

rLBru d)(

d

)(d

t

rrV B

d

)(d)(

フレミング左手の法則電子のローレンツ力は－

dLベクトル:L上の点rとr+dLとのベクトルE:電場[V/m], B:磁束密度[Wb/m2], H:磁場[A/m], V:起電力[V], ΦB:磁束[Wb]

●スカラー三重積のグラスマン記号[]

bacacbcbaabc

ファラデーの法則#2

[Wb/(m・s)] =[V/m]

u(r)

O

r-e

H

r+dL

u(r)dt

L

dLF

B(r)=μH(r)

u(r)dtdL

Btd)(ru

Ld

ストークスの定理E:電場[V/m]

LALEAE ddrot

AE drot A

隣り合う領域dAではその境

界で回転が逆で互いに打ち消しあう。

L

LE d一番外側dLに沿った回転しか残らない

http://hooktail.sub.jp/vectoranalysis/StokesTheorem/

rotE

dA

dA

dL

E

L

A:面積ベクトル[m2], L:経路ベクトル[m]

rotE

EdA

E

E

E

rotE

yxzzyxu fz ),,(

yxzyxu fz ),,(下面からの流入量:

上面からの流出量:

Au df

yxzz

zyxuyxzyxuzzyxu

fz

fzfz

),,(),,(),,(

３方向加えると

両面の差

Vzyxz

u

y

u

x

uf

fzfyfx

f dd uAu

　

V

fA

f Vdd uAu面積分 体積分

ガウスの定理と連続式

領域内の単位時間変化＝流入量－流出量

V

AfV

tAu dd

d

d

ガウスの定理より

V

Vf VV

tdd

d

du

0

f

tu

ufが外向の時dAとの内積

がプラスと定義⇒外向の流れで領域内の量が減少

●ガウスの定理から連続式の導出

0

fe

e

tuE

●ガウスの定理

ρ:流体密度[kg/m3]ρe:電荷密度[C/m3]uf: 流体速度[m/s], E:電場[V/m], i:電流密度[A/m2], σ:導電率[S/m]

Ei ρ⇒ρe ,ρuf ⇒i

0

i

t

e

流体の移流も考えると

xΔx

Δy

Δz

),,( zzyxu fz

),,( zyxu fz

),,,( tzyx

y

zyxddd nA

6.9 電磁流量計

kBDuV

VBk

Du

DQ

44

2

(9.1)

https://www.compoclub.com/products/recommend/magflowmeter/genri.html

E:電場V:起電力i:誘導電流

u:流動方向

H:磁場

流れが管軸に対して対称

ファラデーの電磁誘導の法則:「磁場(磁束密度B)中の平均流速uの導電流体には起電圧Vが発生」

t

rrV B

d

)(d)(

rrVrWV d)()(

感度W(r)を考慮H

k:定数, B:磁束密度[Wb/m2], D:管路内径[m], u:平均流速[m/s],Q:体積流量[m3/s]

流体の動粘度、温度、流速分布、導電率に無関係

質量流量計

熱拡散作用:圧縮度(比体積)より熱量伝播が変化熱量伝播が質量流量に比例

●熱拡散作用による質量流量計

https://www.compoclub.com/products/knowledge/mf/netu_kiso1.html

バイパス流路を設けて流量測定

キャピラリ式 質量流量計熱線式 質量流量計

管内の熱線と温度センサにより流速測定を行う

ボイルシャルルの法則 下付0は既知 0

00

T

vp

T

pv

0

00

pT

Tpvv ●体積流量から質量流量への補正

渦流量計コリオリ式流量計

6.4 熱線流速計

●熱線:直径数μm、長さ数mmのタングステンなどの線

●電子回路を用いて熱線を一定温度に維持

●熱線から周囲への放熱量は流速に依存流速uと熱線両端間電圧Eとの関係

n

A

EEu

1/2

0

E0: 静止流体中の電圧E、Aとnは定数

熱線の両端間の電圧Eを計測すれば式（4.1）から流速uが求まる。

熱線センサ

http://www.kanomax.co.jp/product/index_0093.html

6.5 ピトー管p1:点1の静圧、v1:速度p2:点2の圧力、v2:速度

g

p

g

vz

g

p

g

vz

2

2

22

1

2

11

22

z1=z2=zであり、点2はよどみ点であるのでv2=0となる。

(5.1)

hzg

p

g

p

g

v

21

2

1 02

点1と点2は同一流線上にあるから gpz 1

hg

pp

g

v

12

2

1

2 ghv 21

(5.2)

(5.3) (5.4)

2本のピトー管

http://airman.jp/archives/2011/05/26/

AOAセンサ(迎角計)

流線1-2間にベルヌーイの定理を適用すると、

6.6 レーザドップラ流速計

流速uとfとの関係

sin2

fu (6.1)

http://www.kanomax.co.jp/product/index_0088.html

干渉縞を微小粒子が通過すると、反射光と透過光の周波数偏移(ドップラ周波数f)が生じる。

f :ドップラ周波数λ:レーザービームの波長2θ:交差角度

6.10 PIV(Particle Image Velocimetry)PTV(Particle Tracking Velocimetry)(画像粒子計測法)

http://www.ft-r.jp/service/service_piv.html

18

トレーサ粒子（スモークなど）を流れの中に導入し流れを可視化し，高速度カメラにて記録する.

PIVの流速測定原理#1

アルゴリズムにより流れ場の速度分布を求める

19

微小時間隔てた２枚の画像の小領域を比較し最もよく似た領域を探す.

時刻 t 時刻 t+Δt

Δｘ

Δｙ

PIVの流速測定原理#2

t

xu

t

yv

トランスデューサーf0

X

流れ

計測線管壁

vx

X

図 超音波流速分布計測法

超音波流速分布計測法～音の反射(エコー)

周波数f0超音波パルスをトランスデュー

サから発射。流体中のトレーサ表面で反射し、トランスデューサに戻ってくる。その時間差τとすると、その反射位置xは、

　2

cx

cは流体中の音速。

音響インピーダンス:Z=ρcの異なる場所で音の反射ρ:媒質の密度c:音速K:流体中の体積膨張率

(11.1)

反射体速度vに対する反射位置xの超音波周波数f1は、

　　c

cff

01

トランスデューサで受信する超音波エコー周波数f2は、

c

cf

c

cff 012

よって反射位置xにおける反射体速度vは、

　20

20

ff

ffc

ドップラー周波数fDは発信と受信超音波の周波数差なので、

　20 fffD

以上から、超音波エコーの各瞬間で瞬時周波数を求める信号処理を施してfD(τ) を求めれば、流速分布 v(x)が求まる。

観測点の動く速度

音源の動く速度

※音源から観測点に向かう向きを正

超音波のドップラー信号

(11.5)

(11.4)

(11.2)

(11.3)

ドップラー周波数の検出z:パルス間の反射体の移動距離Td: zの超音波の伝播時間差

　c

zTd

2

φ:エコー信号の位相差 　dTf0時間について微分すると、

　dt

dTf

dt

d d0

トランスデューサ

0 1 2 3 4 5 6 8 7

0

1

2

3

4

5

6

8

7

Tim

e Tim

e

reflect

or

z

反射体

時間

反射されたパルス z

式（11.9）を代入

　c

v

dt

dz

cdt

dTd 22

　Dfc

vf

dt

d 02

fDはφの時間変化から求まる!!

実際の計測では、一つの速度分布を求めるのに25

～ 27 回のパルス発射

時間について微分すると、

(11.6)

(11.9)

(11.7)

(11.8)

(11.10)

Fig. Tomographic image of inside headby medical CT

医療用トモグラフィーとプロセス・トモグラフィー

医療用トモグラフィー

X-ray or NMR

静止した人体内部高空間解像度低時間解像度

混相流への応用

プロセス・トモグラフィー低空間解像度高時間解像度

Fig. Overview of PT for particle flow

Pipeline Electrode

Particle

①

②

③

⑫

⑪

⑥

⑧

④⑤

⑦

⑨⑩

①

②

③

⑫

⑪

⑥

⑧

④⑤

⑦

⑨⑩

①

②

③

⑫

⑪

⑥

⑧

④⑤

⑦

⑨⑩

日立メディコWebよりウィキペディアWebより

PTLのWebより

6.12.3. CT法

テラヘルツ波f=100 GHz〜10 THz（波長30 μm〜3 mm）光波(直進性)と電波(透過性)中間

f=2.45GHz

f=800MHz～

f=3Hz

ソフトフィード:

交流電流で混相流の抵抗やキャパシタンスを計測

交流電流と電磁波の種類

ハードフィード

電磁波で混相流の透過、屈折、反射度を計測

トモグラフィー計測の分類ソース

ソ フ トフ ィールドCT

電気CT

キャパシタンスCT

レジスタンス(インピーダンス)CT

インダクタンスCT

光CT拡散光CT(Diffuse Optical

Tomography)光トポグラフィー

ハードフィールドCT

電磁波CT

テラヘルツCT

光CTレーザCT

赤外線CT

X線CT

γ線CT

粒子線CT 中性子ラジオグラフィ

弾性波CT超音波CT

インパクト・エコー

核磁気共鳴画像法(MRI:Magnetic Resonance Imaging)

ポジトロン・エミッション・トモグラフィー (PET)

●放射線の透過能力α線 紙1枚程度, β線 厚さ数mmのアルミニウム板γ線 透過力が強く、コンクリートで50cm程度、鉛で10cm程度。

中性子線 最も透過力が強く水やコンクリートの厚い壁に含まれる水素原子によって遮断

ハードフィールド・トモグラフィーにおける線の分類

●電磁波:空間の電場と磁場の変化によって形成された横波。波長の長い方から、電波・赤外線・可視光線・紫外線・X線・ γ線など

●粒子線:イオン化された原子や分子などの粒子が束状になって進]む。例えば、電子線、陽子線（Proton,水素原子核）、α線(ヘリウム4原子核(陽子2個と中性子2個))、 β線(原子核（中性子）がβ崩壊する際に放出される電子または陽電子)、中性子線など。

●放射線（Ionizing radiation）電離性を有する高いエネルギーを持った電磁波や粒子線

強い電離作用（軌道電子をはじき飛ばすことによって、原子を陽イオンと電子に分離する作用）や蛍光作用を有する。例えば、 α線、 β線、 γ線、中性子線、X線

●アラン・コーマック（Allan MacLeod Cormack)アメリカの物理学者。コンピュータ断層撮影 (CT) 技術の開発により、1979年にノーベル生理学・医学賞を受賞。Journal of applied physics (1963,1964)CT理論の論文を発表

ハードフィールドPTの歴史●ヨハン・ラドン(Johan Radon) オーストリアの数学者 1917年 ラドンの画像再構成則¨Uber die Bestimmung von Funktionen durch ihre Integralwerte l¨ angs gewisser MannigfaltigkeitenMath.-Phys.Kl., 69, 262 267三次元物体はその投影データ(Projection data)の無限集合から一意的に再生できる

●ゴッドフリー・ハウンズフィールド（Godfrey Hounsfield)イギリスの電子技術者。コーマックCT理論を用いて1972年にCT装置開発に成功ノーベル生理学・医学賞(1979)にアラン・コーマックとともに受賞。

Fig. Godfrey Hounsfield日本放射線技術学会雑誌Vol58No1より転写

Fig.最初の臨床画像(Atkinson Moley病院のJ.Ambrose医師とともに)

Iin:光の入射強度Iout :媒質通過後の透過強度L:距離[m]α:吸収係数c:分散相の空間平均濃度ds：走査線に沿った線素吸収係数αが空間分布を持つ場合

直進性光源は、回折、散乱、反射を無視し吸収のみと仮定

syxfL d,

syxfII inout d,exp

http://www.tf.uni-kiel.de/matwis/amat/mw1_ge/kap_5/basics/m5_3_2.html

Iin

Iout

L

s

yxf ,

ランベルト・ベール(Lambert-Beer)の法則

syxfI

ILc

in

out

d,ln

f（x,y）：断面吸収係数分布

ランベルト・ベールの法則sで線積分 p(r,θ)：投影データ

ハードフィールド・トモグラフィー画像再構成の原理●ラドン変換

●投影切断面定理:θ方向投影データの一次元フーリエスペクトラムは、f(x,y)の二次元フーリエスペクトラムのθ方向の切断面に等しい

ssrsrfrp d)cossin,sincos(),(

rjrξrpξξF d)exp(),()sin,cos(

ξ：フ－リエ級数の波数ξ [1/m]

y

x

s

r

cossin

sincos

cos

sin

sin

cos

cossin

sincoss

r

r

s

r

y

x

x-y座標系からθ回転したr-s座標系

逆行列の演算より

in

out

I

Irp ln),(

P（ξ, θ）

y

x

r

s

θf(x,y)

f(x,y)の二次元フーリエスペクトラムF（ξcosθ，ξsinθ ）

F（ξcosθ，ξsinθ） θ ξ

η

f(x,y)の二次元フーリエ変換をF(ξ,η)

yxyxξjyxfξF dd)(exp),(),(

ssrsrfrp d)cossin,sincos(),(

極座標へ変換

yxyxjξyxf

ξξF

dd)sincos(exp),(

)sin,cos(

rjrξrp d)exp(),(

rjrξssrsrf

dexpd)cossin,sincos(

θ方向投影データの一次元フーリエスペクトラムは、f(x,y)の二次元フーリエスペクトラムのθ方向の切断面に等しい

投影切断面定理の証明 y

x

rs

θf(x,y)

P（ξ, θ）F（ξcosθ，ξsinθ）

θξ

η sincos ξξξ

=r

cos

sin

sin

coss

r

r

y

x

ラドン変換

dd)exp()sin,cos(),(0

ξjrξξξξFyxf

フィルタ補正逆投影(FBP)法

| ξ |:波数ξの絶対値のフィルタ補正

f（x,y）：断面吸収係数分布

P（ξ, θ ）：角度θのときの投影データp(r,θ)のξ(波数)における一次元フーリエスペクトラム

逆フーリエ級数

フーリエ級数

rjrξrpξP d)exp(),(),(

)exp( jrξ

P（ξ, θ）

y

x

r

s

θf(x,y)

f(x,y)の二次元フーリエスペクトラムF（ξcosθ，ξsinθ ）

F（ξcosθ，ξsinθ） θ ξ

η

※式は一次元逆フーリエ変換二次元逆フーリエ変換は前ページ参照

光トモグラフィーの分類

光の種類自然光レーザー

高いコヒーレンス（可干渉性）波長

レーザー特定波長Nd:YAGレーザー1064nmの赤外線

近赤外線分光拡散光トモグラフィー光トポグラフィ近赤外光を用いた脳計測

計測手法吸収 透過 干渉(interferometric CT) 拡散

光トモグラフィー (NIR近赤外線分光)

マンチェスター大学Prof. H. McCann の実験例

2 x 10ms injections

100ms offset (A then B)

Data at 17,000 fps

Reduced to 3,500 fps

Rotating

plug

MZI: Mach Zehnder Interferometer

レーザー干渉CTPresented by Prof. Maeno (Chiba Uni.)M. Ota, K. Maeno, Meas. Sci. Technol. 17 (2006) pp. 2066–2071

FINITE FRINGE INTERFEROGRAM

TAKEN WITH MACH-ZEHNDER

INTERFEROMETER (Θ= 0°)

Zs/D : normalized instantaneous

position of the front of

the primary shock wave

19 degree rotation angle

0 – 90 degree at 5 degree

interval

Symmetrical Characteristics

PSW: Primary shock wave

SSW: Secondary shock wave

CS1: Contact surface

Fig. Reconstructed normalized

density distribution in cross

sections (x-y and y-z plane)

高速噴流の密度分布

Fig. Density distribution of x-y cross section Isopycnic surface : r/r0 = 0.42, t = 220 ms

Various phenomena of 3-D flow field are clarified by 3-D images

ρ/ρ0

Fig. Cross section of fuel rod

Control rod cluster

Upper nozzle

Fuel rod

Control rod guide pipe

Fuel rod

Lower nozzle

Channel box

Fuel rod

Bubbly

flow

Fig. Bubbly flow around fuel rod

X-ray tube

Aluminum Beryllium

Channel box

Upper heating

Detector

Pressure container Fuel rod

原子炉におけるX-RAY CTby Prof. Narabayashi(Hokkaido Univ.)

Fig. Nuclear fuel rod

Fig. Void fraction measurement part

Table Specifications of X-ray CT

(a) Uniform arrangement (b) Non-uniform arrangement

Scan methodTranslation&

Rotating

Scan time 60 sec

Sampling time 2 sec

X-ray tube voltage

120 kV

X-ray tubecurrent

25 mA

Detector BGO Scintillator

Response time 5.3μs

Space resolution 1,000 * 1,000 pixels1×1mm

(b) Rotating scanning(a) Translation scanning

Fig. Dual scanning method of X-ray CT

X-RAY CTによるボイド分布の可視化計測

Fig. Time mean void fraction distributionby X ray CT in the case of 140 kW

Flat panel detector

Micro focusX-ray tube

X-ray image intensifier

Video capture

Machine control

(b) 3D image

Fig. Micro focus X-ray CT

Fig. Image of aluminum die-casting

マイクロ・フォーカスX-RAY CT

Table Specification

Fig. Micro focus X-ray CT equipmentFrom Shimadzu Co. HP

CPU

Space resolution 5μm

Inspection size 350×400mm

Inspection weight Max 5kg

Inspection inclination Max 60 degrees

Output power 90kv（10W）

Inspection view 2～35mm

Magnification 6～158 times

(a) Cross sectional image

レーザーコンプトン散乱γ線 Presented by Dr. Toyokawa (AIST)

LCS photon beam

e-

Laser Compton γ-ray

●

●

●

Electron storage ring

High-energy γ-ray beamline

E = 10 ~ 40 MeV

ΔE/E = 3 ~ 100 %

105 photons/s

LASER COMPTON SCATTERING(LCS)

Fig. Electron storage ring

レーザーコンプトン散乱高エネルギー電子●をレーザーから発した光子(photon)●に衝突したときに、高エネルギーの短い波長のγ線●が放射

制動放射(Bremsstrahlung)高エネルギー電子●がプラス原子核●に曲げられたときにγ線●が放射

その他、シンクロトロン放射、パイ中間子の崩壊

LASER COMPTON SCATTERING(LCS)

Fig. New γ-ray generation by inverse Compton scattering Fig. Conventional Bremsstrahlung

http://www.shokabo.co.jp/sp_e/optical/top.htm

10 cm x 10 cm

0.2 mm width

レーザーコンプトン散乱γ線による非破壊検査Radiograph with 10 MeV LCS photons

8

.

.

.

1

H. Toyokawa et al., Review of Scientific Instruments, 73(9), 3358(2002).

Low

High

Sample

object

(TH571A) 23

cm

RF tetrode-tube:

(Used as the amplifier

of 172 MHz FM-wave,

which was fed to the

RF cavity of TERAS.)

Ceramic insulator

Ring connectors for

socket plug-in (grids

& cathode)

Density resolution (low-contrast resolution)

Photograph

CT image

Matrix of 5×8 test pieces, made of sintered

iron-based powder, slightly different in

densities.

A test piece of 10 mm

Facility SPring-8

APS

Advanced Photon

Source

ESRF

European

Synchrotron

Radiation

Facility

Location

Harima Science

Garden City

Hyogo, Japan

Argonne, USA Grenoble, France

Energy

Number of

Beamlines

Circumference

8 GeV

62

1436 m

7 GeV

68

1104 m

6 GeV

56

844 m

http://www.spring8.or.jp/

ガンマ線ラジオグラフィの施設SPring-8（Super photon ring-8 Gev)

電子蓄積リングElectron storage ring

中性子ラジオグラフィの施設 J-PARC

サイクロトロン シンクロトロン加速器陽子(Proton)を加速する中性子(Neutron) 金属に対する

高い浸透性

Fig. Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC)

Fig. Process of neutron generation

Fig. Neutron radiography

πpion

Proton beam

Nucleus target

Second particle Muon

Neutrino

k pion

Neutron

Antiproton

中性子３次元CTについて（概要）

中性子CTの特長 JRR-3 沸騰流計測実験例

水など軽元素の3次元分布情報が取得可能 （X線CTと相補的関係）

電気加熱実験が可能

（MRIは強磁場を用いるため困難）

パルス中性子を用いると元素等の

選択的立体情報が得られる

炉室内実験装置の写真

JRR-3(TNRF) を使用

加熱用電源

水循環装置

中性子ラジオグラフィ装置

３次元CT装置等

日本原子力研究開発機構の呉田昌俊氏のご提供

Void

Drift

Vapor

Chimney

(>0.9)

Z=13mm

Z=229mm(Xeq=5.7%)

G = 382

kg/m2s

Tin = 90 oC

Q = 60 kW

Void

Fraction [-]

High Void

Fraction Spot

WATER

Vapor

Half Data

(a) 3D void fraction distribution (b) Water/vapor distribution

Water

(<0.05)

Vapor(>0.9)

A

A’ A A’

Vapor(>0.9)

Half Data

U-shape

Distribution

Flow

Pattern

Transition

ボイド率分布データ 原子炉熱設計解析コードの開発に利用

１）模擬燃料集合体内沸騰流現象の解明２）詳細過渡３次元熱流動設計・安全解析コード開発/検証用データの取得

1

0Void Fraction

実験 解析コード

Fig. Slug flow of liquid air two phase flowpresented by Prof. Takenaka,

中性子ラジオグラフィの二相流への応用

M. Ozawa, et al. Experimental Thermal and Fluid Science,Vol.26, No. 6-7,2002, Pages 643-652

N. Takenaka, et al.Experimental Thermal and Fluid Science,Volume 29, No. 3, 2005, Pages 393-402

Fig. Bubble motion in Fluidized bedpresented by Prof. Ozawa

カラードップラーイメージング(CDI)の心臓血流測定

㈱東芝メディカルWebより転写

コンベックス型プローブ

電子フォーカススネルの法則 　

θθ

2

2

1

1 sinsin

cc

音響レンズによるフォーカス

Presented by W. Warsito,超音波CTの固気液三相流への応用

超音波CTの固気液三相流への応用

●ラーモア周波数原子核（1H）は、原子核スピンにより磁石の

性質を持つ。外部静磁場により、核スピンの磁化がそろう。

電磁波を照射し、静磁場方向から傾けると、原子核の磁化は歳差運動を行う。その公転周波数(ラーモア周波数(ν))

ν＝（１/２π）γBB:静磁場強度（単位：Tテスラ）γ:核磁気回転比（定数でプロトン（1H）では約42.6MHz/T）●NMR信号

電磁波照射を止めると共鳴周波数の電磁波を放出その共鳴周波数は1Tの静磁場強度で約42.6MHz

核磁気共鳴(NMR、Nuclear Magnetic Resonance)現象

日立メディコHPより転写

●緩和時間: 電磁波照

射を止めて定常状態に戻るまでの時間組織の物理量(粘性など)に依存

この緩和時間の差を画像コントラストとして表示

原子核（1H）の存在がわかる!!

MRI (Magnetic Resonance Imaging)原理

Fig.傾斜磁場(勾配磁場)

Fig.傾斜磁場中の被写体の出す信号(周波数により位置が分かる)

XG

XGBB

X

X

πγνν 2/0

0

遠藤真広,ポピュラーサイエンス医療最前線で活躍する物理, 裳華房(2001)より転写

●傾斜磁場位置Xにより磁場強度Bを変える位置Xに依存した共鳴周波数が得られる。

外部の電磁波周波数を変化させるとX位置で共鳴したNMR信号のみが得られる

いかに位置情報をNMR信号に載せるか?

日立メディコHPより転写

放出する電磁波の共鳴周波数が静磁場に依存!!

原子核（1H）のXの位置がわかる。Y方向も同様に位相情報、Z方向はスキャンする!!

MRIによるホッパー内の粒子流

QuickTimeý DzH.264 êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

ǙDZÇÃÉsÉNÉ`ÉÉǾå©ÇÈǞǽDžÇÕïKóvÇ­Ç•ÅB

Presented by Dr. Kawaguchi (Osaka Univ.)

Permanent magnet of 1T

: small funnel flow : large mass flow

粒子層の可視化 (Tagging method)

Funnel flow Mass flow

t = 0 t = 0 t = 0

t = 0.1 s t = 0.1 s t = 0.1 s

= 45 deg = 63 deg = 76 deg = 34 deg

t = 0

t = 0.1 s

Presented by Dr. Kawaguchi (Osaka Univ.)

= 34 deg = 76 deg

粒子流の速度計測 (Phase method)

10 mm

z=0

z

0 mm/s

33 mm/s

-33 mm/s

60 mm

z=0

z

Presented by Dr. Kawaguchi (Osaka Univ.)

- 3.6 Re=200 11.0- 6.7 Re=400 20.0-11.8 Re=550 38.0

Vz (cm s-1)

Re=200 Re=400 Re=550

In-plane resolution: 780 mm 1560 mm Image slice thickness: 3 mmData acquisition time: 20 ms

IMAGING FLOW IN A FIXED-BED REACTORSederman, A.J., Gladden, L.F. et al. , Latest Developments in Dynamic MRI of Multi-phase Systems, Proceedings of 4th World Congress on Industrial Process Tomography, Vol.1 (2005), pp.8-15.

ポジトロン・エミッション・トモグラフィー(PET )の原理

陽電子(ポジトロン): 不安定な原子核(放射性トレーサー(13N, 11C,18F）)のβ+崩壊

により生成される

●場内で崩壊して陽電子(ポジトロン、プラスの電子)を放出

●陽電子は近傍の電子と対消滅し、電子の静止質量に等しいエネルギー(511keV)のγ線 (光子)が、2個同時に放出される(消滅γ線)

●これらのγ線は、正反対方向に放出さ

れ、周囲の検出器により検出●この正反対のγ線の時間差を計算してトレーサー分布を画像化

Fig. 検出器

Fig. 消滅ガンマ線の検出

Fig. ガンマ線の検出装置

Fの原子番号:9

PETによる回転ドラム内の粒子挙動

放射性トレーサ 18F

Axial and radial dispersion in rolling mode rotating drums A.Ingram, J.P.K.Seville, Powder Technology, 158, 27 (2005), 76-91

Fig. PET Fig. 回転ドラム内の粒子挙動 Fig. 放射性トレーサの挙動