速度測定

速度測定法は、流体の速度を測定する方法です。これは当然のことと思われがちですが、予想よりもはるかに複雑なプロセスが伴います。流体力学の問題を解決したり、流体ネットワークを研究したり、産業およびプロセス制御アプリケーションで使用したり、新しい種類の流体フローセンサーを作成したりするためによく使用されます。速度測定法には、粒子画像速度測定法と粒子追跡速度測定法、 分子タグ付け速度測定法、レーザー干渉法、超音波ドップラー法、ドップラーセンサー、新しい信号処理方法論などがあります。

一般的に、速度測定はラグランジュ座標系またはオイラー座標系で行われます（ラグランジュ座標とオイラー座標を参照）。ラグランジュ法では、与えられた時間における流体の体積に速度を割り当てますが、オイラー法では、与えられた時間における測定領域の体積に速度を割り当てます。この区別の典型的な例としては、粒子追跡速度測定法があります。粒子追跡速度測定法では、個々のフロートレーサー粒子の速度を見つけることが目的です（ラグランジュ法）が、粒子画像速度測定法では、視野のサブ領域内の平均速度を見つけることが目的です（オイラー法）。^[1]

速度測定法はレオナルド・ダ・ヴィンチの時代にまで遡ることができます。彼は草の種を流れに浮かべ、観察した種の軌跡をスケッチしていました（ラグランジュ測定）。^[2]最終的にダ・ヴィンチの流れの視覚化は彼の心血管研究に使用され、人体全体の血流についてさらに詳しく知ろうとしました。^[3]

ダ・ヴィンチの手法に似た手法は、技術的な制限により、400年近くにわたって実施された。もう一つの注目すべき研究は、1833年のフェリックス・サバールによるものである。彼はストロボスコープ装置を使用して、水流の衝撃をスケッチした。^[3]

19世紀後半、流れのパターンを写真に撮れるようになり、これらの技術に大きな進歩がもたらされました。その顕著な例の1つは、ルートヴィヒ・マッハが肉眼では解像できない粒子を使って流線を視覚化したことです。^[4]もう1つの顕著な貢献は、20世紀に写真技術を使って煙箱の概念を導入したエティエンヌ・ジュール・マレーによるものです。このモデルでは、流れの方向だけでなく速度も追跡でき、流線が近いほど流れが速いことがわかりました。^[3]

最近では、高速度カメラとデジタル技術がこの分野に革命をもたらし、より多くの技術と3次元での流れ場のレンダリングが可能になりました。^[3]

今日でも、レオナルドによって確立された基本的な考え方は同じです。流れには、選択した方法で観測できる粒子を撒かなければなりません。粒子の撒き方は、流体、感知方法、測定領域のサイズ、時には流れの予想される加速度など、多くの要因に依存します。^[5]流れに自然に測定できる粒子が含まれている場合、流れに粒子を撒く必要はありません。^[6]

トレーサーの長時間露光画像を用いた流体流管の空間再構成は、流線画像化速度測定、静止流の高解像度フレームレート自由速度測定に適用できます。^[7]速度測定情報の時間的統合は、流体の流れを合計するために使用できます。移動表面の速度と長さを測定するために、レーザー表面速度計が使用されます。^[8]

流体は一般に、比重に応じて粒子の選択を制限します。粒子は理想的には流体と同じ密度である必要があります。これは、加速度の高い流れ（たとえば、90度のパイプエルボを通る高速流れ）で特に重要です。^[9]水や油などの重い流体は速度測定に非常に適していますが、空気はほとんどの技術で課題となり、空気と同じ密度の粒子を見つけることはほとんど不可能です。

それでも、PIVのような大視野測定技術でさえ、空気中でうまく実行されています。^[10]シーディングに使用される粒子は、液滴でも固体粒子でもかまいません。高い粒子濃度が必要な場合は、固体粒子が好まれます。^[9]レーザードップラー速度測定法のような点測定では、タバコの煙のようなナノメートル径の粒子で測定を行うことができます。^[6]

水や油では、導電性粉末（直径数十マイクロメートルの範囲）として製造された銀コーティングされた中空ガラス球や、塗料やコーティングの反射材やテクスチャー剤として使用される他のビーズなど、さまざまな安価な工業用ビーズを使用できます。^[11]粒子は球形である必要はなく、多くの場合、二酸化チタン粒子を使用できます。^[12]

PIVは航空機騒音を制御する研究に使用されています。この騒音は、高温のジェット排気ガスと周囲の周囲温度の高速混合によって発生します。PIVはこの動作をモデル化するために使用されています。^[13]

さらに、ドップラー速度測定法は、妊娠期間の特定の期間における胎児の大きさが適切かどうかを判断するための非侵襲的な技術を可能にする。^[14]

速度測定法は、血流や組織の動きの局所的な測定を行うために医療画像にも応用されています。当初は、標準的なPIV（単一平面照明）がX線画像（全体積照明）で使用できるように調整され、血流などの不透明な流れの測定が可能になりました。その後、肺組織の局所的な2D運動を調査するために拡張され、局所的な肺疾患の敏感な指標であることがわかりました。^[15]

速度測定法は、新しい技術であるコンピュータ断層撮影X線速度測定法によって、血流と組織の動きの3D局所測定にも拡張されました。この技術は、PIV相互相関に含まれる情報を使用して、2D画像シーケンスから3D測定値を抽出します。^[16]具体的には、コンピュータ断層撮影X線速度測定法はモデルソリューションを生成し、モデルの相互相関を2D画像シーケンスの相互相関と比較し、モデルの相互相関と画像シーケンスの相互相関の差が最小になるまでモデルソリューションを反復します。この技術は、肺の機能的パフォーマンスを定量化する非侵襲的方法として使用されています。臨床現場で使用されており、^[17]デューク大学、^[18] ヴァンダービルト大学医療センター^[19]オレゴン健康科学大学^[20]などの機関で実施されている臨床試験で活用されています。

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