火炎の高速撮影とセル状不安定性の可視化｜SH8シリーズ

■ 概要

SinceVision SH8シリーズは、裏面照射型センサと超高速撮影を組み合わせ、火炎のセル状構造が生じる瞬間を時間・空間の両面から捉えます。129,000 fpsで数十µmの火炎面を撮影し、高圧予混合燃焼の研究に必要な鮮明な光学診断データを取得します。

■ 課題：高圧下で瞬時に変化する火炎の撮影

火炎のセル状不安定性の解析は、燃焼研究の重要なテーマです。層流から乱流への火炎伝播の変化を理解することは、内燃機関のノッキング抑制やガスタービンの燃焼最適化に直結します。

初期圧力が1 MPa以上に達すると、火炎面は数十µmまで薄くなります。火炎の拡大に伴う亀裂や分岐は1 ms未満で進行するため、通常の撮影装置ではモーションブラーや撮影コマ不足によって重要な形状変化を見落とします。

■ 上海交通大学での実験：定容燃焼室の可視化

上海交通大学の研究チームは、定容燃焼室を用いて予混合燃焼のセル状不安定性を調査しました。微細な火炎構造の変化を止めて記録するには、高フレームレートの光学計測が必要でした。

定容燃焼室での高速火炎撮影装置。

撮影の中心となったSH8-125は、高圧定容燃焼時の火炎面を384×384画素、129,000 fpsで記録。亀裂が広がる瞬間を含め、火炎構造の連続的な変化を捉えました。

■ 火炎のセル状化を4段階で捉える

裏面照射型センサによる高速撮影で、研究チームは火炎の形態変化を4段階に分けて観察しました。短い変化の間に100コマ以上の有効画像を得て、火炎半径、セルの波長、曲率分布を定量解析できました。

第1段階：球状の層流伝播点火直後の火炎は対称に拡大します。薄く安定した反応層を持つ滑らかな球状火炎面が観察され、目立つ変形はありません。

第2段階：初期擾乱と亀裂の発生流体力学的不安定性と熱拡散的不安定性が強まると、火炎面に接線方向の擾乱が現れます。有効ルイス数の影響を受けて微小な亀裂が生じ、滑らかな輪郭が崩れ始めます。

第3段階：亀裂の交差と二次分岐臨界ペクレ数を超えると、T字・Y字状の分岐が急速に現れます。亀裂が交差し、二次分岐が広がって、元のセル構造はさらに小さなセルへ分かれます。

第4段階：セル状構造の形成火炎面は球状を保てなくなり、不規則なセルが密集します。火炎表面積の増加により局所的な自己加速が起こり、乱流化へ向かいます。

上海交通大学の実験で取得したシュリーレン火炎画像。

火炎の高速撮影映像。

■ SH8シリーズが撮影を可能にした3つの特長

1. 時間分解能：129,000 fpsではコマ間隔は約7.8 µs。1 ms未満で進む亀裂の分岐を連続して記録します。

2. 高感度：ピーク量子効率85%以上の裏面照射型センサとハードウェアビニングにより、短時間露光でもシュリーレン法やシャドウグラフ法で火炎面の輪郭を鮮明に捉えます。

3. 画素数との両立：384×384画素で火炎全体の拡大を追いながら、セル境界の微細な曲率変化を観察します。

SH8シリーズの製品画像。

■ 火炎高速撮影用カメラの比較

項目｜一般的な高速度カメラ｜SinceVision SH8シリーズ

センサ｜表面照射型｜裏面照射型、ピーク量子効率85%以上

384×384画素での撮影｜原文比較値：約20,000～50,000 fps｜本事例：129,000 fps

時間分解能｜微細な亀裂でブレが発生しやすい｜約7.8 µs間隔で記録

低照度での撮影｜ノイズで輪郭検出が難しい｜高コントラスト、ハードウェアビニング対応

有効画像数｜原文比較値：1 ms当たり20コマ未満｜本事例：1 ms当たり100コマ以上

■ よくある質問

Q. 129,000 fpsで暗い対象をどう撮影しますか。

A. ピーク量子効率85%以上の裏面照射型センサ、大きな画素ピッチ、ハードウェアビニングを組み合わせ、短時間露光でも感度を確保します。

Q. PLIFやPIVなどのレーザ計測と同期できますか。

A. プログラム可能なTTLトリガと外部同期機能により、パルスレーザやタイミング制御装置との同期に対応します。

Q. この実験で384×384画素を使う理由は何ですか。

A. 画素数を増やすと最高フレームレートが下がります。この設定は火炎面の観察に必要な空間情報と、100,000 fps超の時間分解能を両立します。

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