流体

アプリケーション紹介_PIV・マイクロバブルでの超高解像度・高速撮影

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。