超音速ジェット噴流の流れを高速計測できる時空間超解像計測技術を開発 東北大学

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東北大学は2022年7月4日、超音速ジェット噴流の流れを高速計測できる時空間超解像計測技術を開発したと発表した。

超音速ジェット噴流と呼ばれる航空機やロケットのエンジン排気流は、超高速で複雑な流動現象だ。同大学によると、その音速を超える流れから強い騒音が発生し、騒音公害の原因や振動による構造物の破壊の原因にもなるため、その発生メカニズムの解明が望まれている。しかし、超高速な物理現象を撮影できる最新鋭の高速度カメラでも、超音速ジェット噴流の流動現象を解明するのには撮影速度が十分ではなかった。

今回の研究では、画像計測と音響計測の2つの異なる同時計測データに対して、圧縮センシングと呼ばれる方法を用いて、撮影速度の向上と計測空間の大幅な拡張を実現できる時空間超解像計測技術を開発した。圧縮センシングとは、少量の観測データを基にして欠損した情報を補うことで元の信号を復元する技術だ。MRI画像などに用いられており、今回の研究では流体の速度変化に適用した。

画像計測は、空間的な分布を撮影できるが撮影速度が十分ではない。一方音響計測で使用するマイクロフォン(点センサー)は、空間上は1点のみしか計測できないが、計測速度は画像計測の数十倍以上になる。今回の研究では、これらそれぞれの特性を持つ高速度カメラによる画像と点センサーの情報を低次元モデルで融合し、時間と空間の両方で高い解像度を持つ画像を再構成することに成功した。これを超音速ジェット噴流の速度場計測と音響計測に適用することで、速度場の変動をこれまでの50倍の撮影速度で再構成することができた。

時空間超解像計測の処理概要

今回開発した技術には汎用性があることから、さまざまな可視化手法と点センサーを組み合わせることで、流体力学以外での超高速/複雑現象の把握にも大きく貢献することが期待されるという。

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