流体の動きを可視化するPIV法の詳細とおすすめ機器

PIV - 粒子画像流速測定法

流体動態の理解は、科学や工業において非常に重要です。そのための手法の一つがPIV（Particle Image Velocimetry）であり、これは瞬時の流速を測定し、その特性を明らかにする方法です。特に風洞実験や生体内流動の解析など、多彩な应用が存在します。

PIVの基本的な手法

PIV法では、まず流体にトレーサー粒子を追加し、これが流れの動きを追跡します。その後、ターゲットとしているエリアにシート状の光を照射し、粒子の動きを可視化します。このプロセスにより、流れの速度や方向を含む速度場を計算することができるのです。この手法の魅力は、全体像を2次元または3次元で把握できることです。

リアルタイムでの速度マップ作成には、適切なカメラとハードウェアの選定が重要になります。特に、光のパルスを個別のフレームでしっかりキャプチャできるカメラを選ぶ必要があります。違うフレームでの撮影は、速度測定の精度に大きく影響を与えます。

基本的な機器構成

PIV法を実施するには、以下の機器が必要です。

- カメラ
- ストロボ照明またはレーザー
- シリンドリカルレンズなどの光学部品
- カメラと照明を同期させるための外部トリガー
- 画像処理専用のPIVソフトウェア

これらの機器が揃っていることで、精度の高い測定が可能となります。

カメラの選定条件

PIV分析では、流体に施すレーザー光を2回照射し、これをカメラで撮影する必要があります。多くの一般的なカメラはこの条件を満たせず、自己相関分析と呼ばれるプロセスを用いることになります。これは、同じフレームで2回のレーザー光を捉える方法ですが、その結果、粒子の分布が不明確になることがあります。より確実な流体の動きの解析には、数百ナノ秒でフレーム間の差を捉えられるカメラが求められます。

推奨されるカメラ：Ximea（ドイツ）

Ximea社が推奨するカメラには、以下のモデルがあります。

- CB500：デュアルトリガーによる二重露光制御が実装。
- CB120：デュアルトリガー未実装だが、二重露光をサポート。
- CB262：HDR機能をサポートする奇数/偶数ライン。
- MC161, MC203, MC245：全て短い間隔での多重露光が可能。

これらのモデルはいずれも、PIV測定において高い性能を発揮します。これからPIV法による流体解析を始めたいと考えている方にとって、適切な機器選定が成功のカギとなるでしょう。流体の観察と解析は、未知の領域を明らかにする力があるため、多くの分野での応用が期待されています。今後の技術更新とともに、PIV法の利用もますます進化していくことでしょう。