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Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Lab. –

燃料噴霧の光学的計測手法の紹介

同志社大学大学院工学研究科

大嶋元啓

学術フロンティア「次世代ゼロエミッション・エネルギー変換システム」2005.12.10

技術セミナー「噴霧燃焼過程の工学的手法の基礎と応用」


目次

1. 噴霧と光学的計測

2.レーザー誘起蛍光（LIF）法の解説

3.シュリーレン撮影法の解説

4.シャドウグラフ撮影法の解説


Can You catch up a Finger Print of God !?

(1)個々の粒子に関する評価項目

液滴の形状（球形？，非球形？）(2)粒子群に関する評価項目

粒径分布，平均粒径（SMD etc）(3)噴霧の運動に関する評価項目

噴霧粒子の濃度，運動する粒子群の粒径測定(4)噴霧構造に関する評価項目

A/F（中空噴霧？，中実噴霧？）

◎噴霧 ⇒ 神の作りしもの

◎噴霧特性の評価項目

噴霧の光学的計測

いまだ不明な部分が存在する

実現象への確実な把握（catch up a finger print of god ）


噴霧の光学的計測法の分類

噴霧

粒径・粒速

レーザー散乱計測

位相ドップラー法

透過光減衰法

レーザー誘起蛍光法（LIF）

その他

画像による計測法（PIV，PTV eｔc）

・・・

シュリーレン撮影

シャドウグラフ撮影

・・・

直接撮影


レーザー誘起蛍光法（LIF）の原理

◎レーザー誘起蛍光法（Laser Induced Fluorescence)ある特定の原子や分子が適切な波長のレーザー光により

励起され，それが基底準位に戻るときに発生する蛍光を検出するもの

基底状態

励起状態（エネルギの高い状態）

レーザー光

①

②

③励起

蛍光④

④’失活

◎単位面積あたりの蛍光強度

0

310, dD

dDdnDCeIzrI kx

f ⇒液滴径の3乗に比例する


レーザー誘起蛍光法（LIF）の光学系

CCD Camera with I.I. (B)

Nd:YAG laser (l=266nm)

Injector

Pin hole

Cylindricallenses Control circuit

Pulse generator

Band pass filter(l=266nm 17nm FWHM)

PC


TMPD = N,N,N',N'-tetramethyl-p-phenylenediamineTEA = triethylamine

Fluorescence Wavelength of TracersMolecular

Weight B. P. [K] l [nm] (Fluorescence)Tracer l [nm]

(Laser)acetone 58.08 330(CH3COCH3)

266 417

benzene 78.11 354 266(C6H6)280

TEA 101.19 362 266((C2H5)3N) 350N

3-pentanone 86.13 374.5(C2H5COC2H5)266 408

tetralin 132.21 480.2(C10H12)266 330

TMPD 164 533 266(C10H16N2)400

N

N

anthracene 178.23 613(C14H10)266 407

Molecular Structure

O

pyrrole 67.09 403 266(C4H5N) 510

O

HN


10-2 10-1 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 1010 1011 1012

γ線 X線紫外線赤外 μ波ラジオ波

紫青緑黄橙赤

可視領域紫外遠紫外

100 200 300 400 500 600 700

1196 595 399 298 239 199 170

100000 50000 33333 25000 20000 16666 14285波数[cm-1]

エネルギーのスペクトル[kJmol-1]

波長[nm]

波長のスペクトル[nm]

電磁波スペクトル


Fluorescence Wavelength of Tracers

Wavelength λ [nm]

Fuor

esce

nce

inte

nsity

[A.U

.]

250 400 450 500 550 600300 350

18

15

12

9

6

3

0

X 103

3-pentanoneacetonetetralineTEApyrroleTMPDanthracene


Inte

nsity

of f

luor

esce

nce

[A.U

]

Wavelength [nm]200 300 400 5004503502500

10

20

30

40

50

60

70

80

C5H12

C6H14

C8H18

C12H26

C15H32

C16H34

×103

Fluorescence Wavelength of Fuels


0

10

20

30

40

50

60

70

250 300 350 400 450 500 550 600

Acetonei-Octane（C8H18）

TMPDn-dodecane（C12H26）

Anthracenen-hexadecane（C16H34)

Inte

nsity

of f

luor

esce

nce

[A.U

]

Wavelength [nm]

×103

Fluorescence Wavelength ofTracers and Fuels


2 4 6 8 10 12 140.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Rel

ativ

e flu

ores

cenc

e in

tens

ity

Tracer mixing ratio [vol%]

Fuel ： TridecaneTracer ： Tetraline

蛍光剤の混合割合におけるLIF強度の変化


t/tinj=1.0 t/tinj=1.25 t/tinj=1.50 t/tinj=2.0 t/tinj=2.5low

high4050607080

4050607080

4050607080

Dis

tanc

e fr

om n

ozzl

e tip

［m

m］

Fluorescence Images of TMPD in Multi-component Fuel (Pinj = 72MPa, Ta=700K, a=15kg/m3)

Fuel (a)

6：3：1

Fuel (c)

1：3：6

Fuel (b)

1：1：1

a:b:c = i-Octane ： n-Dodecane ： n-hexadecane


噴霧におけるLIF法より把握できる情報

◎発光の強さより．．．⇒温度場，濃度場の可視化も可能

（燃焼の場合は有効）◎蒸気相の存在領域の把握

⇒Mie散乱撮影等組み合わせることにより可能

◎噴霧画像⇒混合燃料の場合，ある種の燃料の

存在領域を把握することが可能◎噴霧の蒸気濃度分布の準定量的な把握

⇒統計力学的エントロピー

)}ln()ln(){ln())}(ln()({)ln(

ImaxItlMItl

iIiIImaxItlS+-

-= å


Nor

mal

ized

fluo

resc

ence

inte

nsity

[A

.U.]

Distance from nozzle [mm]

Anthracene (n-hexadecane)

0

0.8

0.6

0.4

0.2

1.0TMPD (n-dodecane)

t/tinj=1.0t/tinj=1.25

t/tinj=1.5t/tinj=2.0

35 45 55 75 85 9065 35 45 55 75 8565

Fluorescence intensity of TMPD & anthracene on the central axis with TAI (Pinj=112MPa, i-Octane ： n-Dodecane ： n-hexadecane=1:1:1)

LIFの画像より解析した例


Statistical entropy at TMPD and anthracene(Pinj=72MPa,Ta=700k, a=15kg/m3 )

Entr

opy

S [A

.U]

Dimensionless time [t/tinj]

TMPD in Fuel(a)TMPD in Fuel(c)anthracene in Fuel(a)anthracene in Fuel(c)

1.0 1.25 1.5 2.52.00.2

0.6

0.4

0.8

1.0

1.75 2.25

LIFの画像より解析した例

Fuel(a)＝6：3：1Fuel(b)＝1：3：6a:b:c

= i-Octane ： n-Dodecane ： n-hexadecane


LIF法を使用した応用例（LIF，Mie同時撮影の光学系）

Nd:YAG laser (l=266nm)

PC

CCD Camera with I.I. (Mie)

PC

CCD Camera with I.I.(LIF)

Chamber

Image processorInjector

Pin hole

Cylindricallenses Control circuit

Pulse generator



DVS-3000


30

90

Distance from spray axis [mm]

High

Low0

255

#1

#2

#3

030 30

0.0 2.0 6.04.0 8.0Time after injection stop [ms]

#1: XC5H12=0.8 #2: XC5H12=0.6 #3 XC5H12=0.0

Dis

tanc

e fro

m n

ozzl

e tip

Z [m

m]

Temporal Change in Vapor Distributionswith LIF Method (pamb=20[kPa])


Stan

dard

dev

iatio

n of

vap

or re

gion

Sa

01020304050

0 2 4 6 8Time after injection stop [ms]

0.65

0.75

0.85

0.95

Entro

py S

100[kPa]20[kPa]

10[kPa] 50[kPa]

Ambient pressure pamb

nSa =

n

iå=1

I(i) - )2( I

Standard deviation of luminosity

)}ln()ln(){ln())}(ln()({)ln(

ImaxItlMItl

iIiIImaxItlS+-

-= å

Statistical thermodynamics entropy

Statistical Thermodynamics Entropy and Standard Deviation of Vapor Region (XC5H12=0.6)


LIFを用いた新たな試み

◎光学式パタネータを用いた噴霧液滴粒径の計測法

単位面積あたりの蛍光強度0

310, dD

dDdnDCeIzrI kx

f

単位面積あたりの散乱光強度0

220 ,,, dD

dDdnDQCeIzrI sca

kxs

蛍光強度と散乱光強度の比zrIzrI

CCQzrD

s

fsca

,,,,,

21

3232

ザウタ平均粒径 (SMD) zrIzrI

KzrD

s

f

,,1,32

Mie散乱光励起蛍光同時撮影

強度解析

ザウタ平均粒径(SMD)分布


シュリーレン撮影の原理

◎Schliere [ドイツ語]⇒空気やガスの中に出来る光学的なムラ

カメラレンズシュリーレンレンズ

◎測定対象⇒噴霧における密度ムラを捕らえる


シュリーレン撮影の理論

2 2

1 1 1

I h f f L dcI s s s dy

2h fK点における光束の変位 h

コントラストc

シュリーレン感度 E 1 2

1

h s c fEs

K点においてナイフエッジを設置するとS1/S倍に暗くなる


シュリーレン撮影における光学系◎光源

点光源が望ましい．理想的なもの：キセノンランプ，水銀灯，レーザー

・水銀灯⇒ カラーシュリーレンには不向き

・レーザー⇒ 直進性が良いため光学装置の設定楽⇒ 出力が安定⇒ 干渉性が高い（He-Neレーザー等）

◎凹面鏡又は凸レンズ

◎ナイフエッジ⇒感度を作用する⇒運動している方向の反対側からナイフエッジを切ると良好

凹面鏡 ⇒ 色収差，球面収差あり，高価，コンパクト可凸レンズ ⇒ 色収差，球面収差なし，大口径化可


ナイフエッジについて

◎円孔，円形⇒観測部における密度勾配がどの方向でも得られる．

ピンホール等

◎矩形⇒ナイフエッジの入れる方向の逆より密度勾配

かみそりの刃カッターナイフの刃


シュリーレン撮影の光学系

PC

High speedvideo camera

Control Unit

Knife edge

Mercury Lamp

Schlieren mirror Schlieren mirror

Mirror

Injector


0.80.60.4

030 30

XC5H12

Dis

tanc

e fro

m n

ozzl

e tip

Z[m

m]

Ts=300K

Ts= 673K

0

40

80

40

80

0.0

シュリーレン撮影の例（FS-CVD法における減圧沸騰噴霧）

0

Radial distance from injector [mm]

溶液：TEOS+n-Pentane混合溶液 Pamb=20KPa


噴霧におけるシュリーレン撮影法より把握できる情報

◎画像◎噴霧角◎ペネトレーション◎蒸気濃度分布

⇒蒸気濃度分布を把握する検定が必要

◎密度分布⇒コントラストより算出可だが実際には非常に困難

原理的には．．．

2 2

1 1 1

I h f f L dcI s s s dy

現象の定性的な把握・密度変化部の位置検出可視化に用いることが多い


シュリーレン撮影画像からの画像解析例（FS-CVD法における減圧沸騰噴霧の噴霧角）

XC5H12=0.4XC5H12=0.0 XC5H12=0.6

XC5H12=0.8

Ts=298K Ts=673K

Ambient pressure Pamb [KPa]0 20 40

Spr

ay c

one

angl

e [d

eg]

60 10080

454035302520

505560

Ambient pressure Pamb [KPa]0 20 40

Spr

ay c

one

angl

e [d

eg]

60 10080

454035302520

505560

溶液：TEOS + n-pentane


(XC5H12=0.4,Ts=673K,Pinj=110KPa)

20KPa10KPa

50KPa80KPa100KPa

0 1 2 3 4 5

605040302010

0

708090

100

Time after injection start t [ms]

Spr

ay ti

p pe

netra

tion

[mm

]

6 7

シュリーレン撮影画像からの画像解析例（FS-CVD法における減圧沸騰噴霧のペネトレーション）


シャドウグラフ撮影の原理

◎原理

気体あるいは液体の密度変化の光の影を観察するもの

影写真の明暗は密度分布の二次微係数に比例する

2

200

LE dDK dxE dy

d ydy

LθA

A’B

B’

D

スクリーン物体（y方向に密度勾配）

y


シャドウグラフ撮影の光学系（RCEMを用いた噴霧の観察）

Ar+ laser

High speed video camera

Plano-convex lens

Mirror

Reflection mirrorQuartz glass

Schlieren mirror


シャドウグラフ撮影の例（混合燃料のRCEMにおける噴霧）

100

XC5H12=0.0

1.0 3.0 5.0 9.07.0

0

50

Time after injection start [ms]

Dis

tanc

e fro

m n

ozzl

e tip

[mm

]

XC5H12=0.50

0

50

100

Fuel：n-tridecane + n-pentane


噴霧におけるシャドウグラフ撮影法より把握できる情報

◎画像◎噴霧角◎ペネトレーション

2

200

LE dDK dxE dy

◎密度分布⇒ シャドーグラフ撮影法の理論式より

◎温度分布

現象が一次元の場合，原理的には．．．

シャドウグラフ撮影を現象の可視化に用いることが多い

感度的な問題より現実的には不可能


シャドウグラフ撮影法の画像よりの解析例（Spray Tip Penetration of C5/C13 Mixed Fuel)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.02.50

10

30

20

50

40

60

70


Spra

y tip

pen

etra

tion

[mm

]

XC5H12=0.0XC5H12=0.25XC5H12=0.50XC5H12=0.75XC5H12=1.0


シャドウグラフ撮影画像からの解析例（Spray Dispersion Angle of C5/C13 Mixed Fuel)

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 3.02.50

5

10

20

15

XC5H12=0.0XC5H12=0.25XC5H12=0.50XC5H12=0.75XC5H12=1.0


Spra

y di

sper

sion

ang

le [d

eg.]


噴霧の光学的計測についての資料等

◎書籍・Web等

大澤敏彦，小保方富夫，「レーザー計測」，裳華房

浅沼強，「流れの可視化ハンドブック」，朝倉書店

レーザー計測ハンドブック編集委員会，「レーザー計測ハンドブック」，丸善

Anfo World.com 「http://www.anfoworld.com/Schliere.html」

日本液体微粒化学会，「アトマイゼーションテクノロジー」，森北出版

同志社大学噴霧燃焼工学研究室，「http://comb.doshisha.ac.jp」

And More．．．

Doshisha University – Energy Conversion Research Center & Spray and Combustion Science Lab. –Fin．

Thank you foryour kind attention


d dD y D y D y ydy dy

0 ( )1

1 ( )

E yE y D d dy y

D d dy　　

0

0 0 0

1

( )=1 ( )

E EE EE E E

D d dyD d dy

　　　0

2

20

2

200

1

1

1

L

L

d dyE dD

E dyd nD dx

n dyE dDK dx

E n dy

&

スクリーン上では

照度の係数

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