Laboratory for Flow Control-Fluid mechanics experiment for science & technology-

超音波計測・超音波流速分布計

可視光を透過する水などの透明な流体は内部の流れを見ることができます．しかし，私たちの周りにある流体の多くは，そもそも不透明な流体（例：液体金属）だったり，透明な流体でも多くの分散体を含んで混濁（例：エマルジョン）したり，不透明な容器内に入っていたり（例：パイプライン）などの理由で，光学的に可視化することができません．このような場合，光学的に不透明な媒質でも透過できる超音波を用いて流体の計測を行うことが有効です．超音波は媒質を一定速度で進み，物質の界面では一定の割合で反射と透過が起こります．この反射波と透過波には物質の材質・形状・速度に関する情報が含まれており，これらの波形を解析することで物質の材質・形状・速度などの情報を取得できます．

超音波パルスエコグラフィー

超音波パルスエコグラフィーは，病院で行っている心臓や胎児などの超音波検査として知られている私たちに身近な技術ですが，産業現場における流体の計測に用いることはあまりありません．構成物質間の大きい音速の差や高い流速，高い減衰率が超音波による流体の計測を難しくします．私たちは，エコグラフィーを用いた混相流計測法の開発に注力しています．気相・液相・固相が混ざって流れる混相流では，相が変化する界面で超音波が反射します．この反射波の波形を取り出して解析することで，図に示す「液膜厚さ」や「分散体の分布」，「分散体のサイズや濃度」など混相流の様々な情報を計測・モニタリングすることができます．

1. Park et al., Ultrasonic pulse echography for bubbles traveling in the proximity of a wall, Meas. Sci. Technol., Vol. 26, 125301 (2015)
2. Park et al., Bubbly drag reduction investigated by time-resolved ultrasonic pulse echography for liquid films creeping inside a turbulent boundary layer, Exp. Therm. Fluid Sci., Vol. 103, pp. 66–77 (2019)
3. Park et al., Monitoring of Void Fraction and Bubble Size in Narrow-channel Bubbly-flows using Ultrasonic Pulses with A Super Bubble-resonant Frequency, IEEE Sensors J., Vol 21, pp. 273–283 (2021)
4. Park et al., Gas volume estimation in a vertical pipe flow considering the bubble size obtained from an ultrasonic velocity vector profiler, Exp. Fluids, Vol. 63, 130 (2022)

超音波流速分布計

流れに追従する微粒子を混ぜた流体に超音波パルスを照射することで粒子からの反射波が得られます．この反射波には粒子の超音波照射方向の移動速度に応じたドップラー効果が含まれているため，反射波を検波することで粒子の移動速度が計測できます．超音波流速分布計は，この原理を用いて超音波パルス照射線上の流体の１次元速度分布を測ります．私たちは，超音波流速分布計を用いて主に３つの研究に取り組んでいます．１）不透明流体の研究（例：液体金属，食品），２）超音波流速分布計の機能拡張（例：混相流量計，レオロジー評価），３）新規超音波流速分布計の開発（例：多次元速度成分が計測可能なVector-UVP）

1. Hitomi et al., Ultrasound Flow-Monitoring and Flow-Metering of Air–Oil–Water Three-Layer Pipe Flows, IEEE Access, Vol. 5, pp. 15021–5029 (2017)
2. Yoshida et al., Rheological evaluation of complex fluids using ultrasonic spinning rheometry in an open container, J. Rheol., Vol. 61, pp. 537–549 (2017)
3. Yoshida et al., Rheological properties of montmorillonite dispersions in dilute NaCl concentration investigated by ultrasonic spinning rheometry, Appl. Clay Sci., Vol. 161, pp. 513–523 (2018)
4. Hitomi et al., Measurement of the inner structure of turbidity currents by ultrasound velocity profiling, Int. J. Multiphase Flow, Vol. 136, 103540 (2021)
5. Yoon et al., Development of an instantaneous velocity-vector-profile method using conventional ultrasonic transducers, Meas. Sci. Technol., Vol 33, 035301 (2022)
6. Murai et al., Ultrasound Doppler measurement of air-lift two-phase and particulate three-phase pipe flows, Exp. Fluids, Vol. 63, 126 (2022)