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竹原　幸生 （タケハラ　コウセイ）

  • 理工学部 社会環境工学科　教授
Last Updated :2024/04/25

コミュニケーション情報 byコメンテータガイド

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    大気－海洋間の温暖化ガス等に関する物理現象の解説。水滴の衝突、気泡の破裂等に関する高速撮影の解説。

研究者情報

学位

  • 工学修士（九州大学）
  • 博士(工学)（九州大学）

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J-Global ID

研究キーワード

  • 水工水理学   Hydraulic Engineering   

現在の研究分野（キーワード）

    大気－海洋間の温暖化ガス等に関する物理現象の解説。水滴の衝突、気泡の破裂等に関する高速撮影の解説。

研究分野

  • 社会基盤（土木・建築・防災） / 水工学

学歴

  •         - 1988年   九州大学   工学研究科   水工土木学専攻
  •         - 1988年   九州大学   Graduate School, Division of Engineering
  •         - 1986年   九州工業大学   工学部   開発土木工学科
  •         - 1986年   九州工業大学   Faculty of Engineering

所属学協会

  • 流体力学会   可視化情報学会   土木学会   

研究活動情報

論文

  • S. Abe; T. Takagi; S. Torisawa; K. Abe; H. Habe; N. Iguchi; K. Takehara; S. Masuma; H. Yagi; T. Yamaguchi; S. Asaumi
    Aquacultural Engineering 93 102146 - 102146 2021年05月 [査読有り]
  • Nguyen Hoai Ngo; Kazuhiro Shimonomura; Taeko Ando; Takayoshi Shimura; Heiji Watanabe; Kohsei Takehara; Anh Quang Nguyen; Edoardo Charbon; Takeharu Goji Etoh
    Sensors 21 7 2506 - 2506 2021年04月 [査読有り]
     
    A burst image sensor named Hanabi, meaning fireworks in Japanese, includes a branching CCD and multiple CMOS readout circuits. The sensor is backside-illuminated with a light/charge guide pipe to minimize the temporal resolution by suppressing the horizontal motion of signal carriers. On the front side, the pixel has a guide gate at the center, branching to six first-branching gates, each bifurcating to second-branching gates, and finally connected to 12 (=6×2) floating diffusions. The signals are either read out after an image capture operation to replay 12 to 48 consecutive images, or continuously transferred to a memory chip stacked on the front side of the sensor chip and converted to digital signals. A CCD burst image sensor enables a noiseless signal transfer from a photodiode to the in-situ storage even at very high frame rates. However, the pixel count conflicts with the frame count due to the large pixel size for the relatively large in-pixel CCD memory elements. A CMOS burst image sensor can use small trench-type capacitors for memory elements, instead of CCD channels. However, the transfer noise from a floating diffusion to the memory element increases in proportion to the square root of the frame rate. The Hanabi chip overcomes the compromise between these pros and cons.
  • 高野 保英; 菅木 渉馬; 中北 和之; 江藤 剛治; 竹原 幸生
    土木学会論文集B1（水工学） 77 2 I_919 - I_924 公益社団法人 土木学会 2021年 [査読有り]
     
    風波による水表面の物質輸送過程に関する基礎研究の一環として連続固定波面上の風圧を感圧塗料（PSP）を用いて計測することを試みた．PSP計測は航空流体力学分野で実用化されつつあるが，海洋の波や土木構造物を対象にする場合は風速が小さく計測が難しい．例えば風速30m/sのときの気圧低下は0.54%である．このため，小領域の輝度から平均的な値を求めるビニング法, 繰り返し現象に対して多数回の計測値を積算する積算法等を適用した．また照明強度が十分大きければ，PSPの燐光の減衰定数の変化から時空間的な圧力変動が計測できる可能性があることを示した．ただしPSPの発光は，風速による温度変化に敏感である．温度変化を精密に同時計測してPSPの発光強度，または減衰定数を補正して風圧を求める必要がある．
  • 久末 信幸; 竹原 幸生
    土木学会論文集B1（水工学） 77 2 I_817 - I_822 公益社団法人 土木学会 2021年 [査読有り]
     
    近年，既設水力発電所の有効活用の取組みの一つとして低水位運用が行われている．低水位運用では，これまでの貯水池の水位よりも低い水位で運用を行うことから，取水管の被り水深（管中心から水面までの距離）が不足し空気吸込渦の発生が懸念される．本研究では水力発電所の水平取水設備に着目し，被り水深の空気吸込渦に及ぼす影響を明らかにするために，模型実験において，流量，水深を一定に保ち，水平管の内径を一定として被り水深を変化させた場合の流れ場の変化について検討した．その結果，水平管の内径が大きい場合については，水平管上端が取水路水深の半分を超えると，被り水深よりも水平管上端から水面までの距離の方が，渦の発生規模や発生回数の増加の要因になることなどが明らかになった．
  • Nguyen Hoai Ngo; Anh Quang Nguyen; Fabian M. Bufler; Yoshinari Kamakura; Hideki Mutoh; Takayoshi Shimura; Takuji Hosoi; Heiji Watanabe; Philippe Matagne; Kazuhiro Shimonomura; Kohsei Takehara; Edoardo Charbon; Takeharu Goji Etoh
    Sensors 20 23 6895 - 6895 2020年 [査読有り]
  • 久末 信幸; 竹原 幸生
    土木学会論文集B1（水工学） 76 2 I_931 - I_936 公益社団法人 土木学会 2020年 [査読有り]
     
    水力発電所の取水設備では空気吸込渦が発生し，発電出力の低下などが懸念されている．水力発電所の取水設備の形式には，取水管の設置位置により，主に鉛直取水と水平取水がある．既往の研究では，鉛直取水については，空気吸込渦の発生要因などの知見が得られているが，水平取水については，一般的に十分な知見が得られていない．本研究では，水力発電所の水平取水設備に着目した．模型実験において，流量，水深，水平管の被り水深を一定に保った状態で，水平管の内径を変化させ，吸込流速による流れ場の変化について検討した．その結果，空気吸込渦の発生要因には，水平管の吸込流速のほかに，水平管上端から水面までの距離が関係することなどがわかった．
  • 久末信幸; 竹原幸生
    土木学会論文集B1(水工学) 75 2 I_787 - I_792 公益社団法人 土木学会 2019年11月 [査読有り]
     
    水力発電施設では空気吸込渦は設備障害を引き起こすため問題となる．著者らはこれまでに流れ場の中低層の流速分布の変化が空気吸込渦の発生に関係している可能性を見出し，発生要因の解明の手掛かりとなることを示した．しかしながら，既往の研究では取水管の吸込流速は単一の条件下で検討され，取水管の吸込流速と渦発生の関係については詳細が明らかにされていない．本研究では流量を一定に保った条件で取水管の吸込流速，取水路水深を変化させ，流れ場の変化について検討した．その結果，発生規模の大きな渦の発生には渦小の発生回数や，取水路内の流れの加速の程度，取水路側壁近傍で形成される渦層が引き剥がされ渦管となり旋回流の中心付近に供給され集中することが関係していることがわかった．
  • 1億枚／秒のマルチフレーミングセンサによる飛翔する光の撮影
    高野保英; 沖中知雄; 竹原幸生; 中野人志; 下ノ村和弘; 林直樹; 三井鷹; 江藤剛治
    可視化情報学会論文集 39 9 35 - 40 2019年09月 [査読有り]
  • Takeharu Goji Etoh; Tomoo Okinaka; Yasuhide Takano; Kohsei Takehara; Hitoshi Nakano; Kazuhiro; Shimonomura; Taeko Ando; Nguyen Ngo; Yoshinari Kamakura; Son Dao Vu Truong; Array; Edoardo Charbon,Array; Piet De Moor; Paul Goetschalckx,Luc Haspeslagh
    Sensors 19 10 2247 - 2247 2019年05月 [査読有り]
  • Vu Truong; Son Dao; Nguyen Ngo; Anh Quang Nguyen; Morimoto Kazuhiro; Shimonomura Kazuhiro; Goetschalckx Paul; Haspeslagh Luc; De Moor Piet; Takehara Kohsei; Etoh Takeharu Goji
    SENSORS 18 9 2018年09月 [査読有り]
  • S. T. Thoroddsen; K. Takehara; H. D. Nguyen; T. G. Etoh
    Journal of Fluid Mechanics 848 2018年08月 [査読有り]
     
    When a drop impacts on a deep pool at moderate velocity it forms a hemispheric crater which subsequently rebounds to the original free-surface level, often forming Worthington jets, which rise vertically out of the crater centre. Under certain impact conditions the crater collapse forms a dimple at its bottom, which pinches off a bubble and is also known to be associated with the formation of a very fast thin jet. Herein we use two ultra-high-speed video cameras to observe simultaneously the dimple collapse and the speed of the resulting jet. The fastest fine jets are observed at speeds of approximately and emerge when the dimple forms a cylinder which retracts without pinching off a bubble. We also identify what appears to be micro-bubbles at the bottom of this cylinder, which we propose are caused by local cavitation from extensional stress in the flow entering the jet. The radial collapse of the dimple does not follow capillary-inertial power laws nor is its bottom driven by a curvature singularity, as has been proposed in some earlier studies. The fastest jets are produced by pure inertial focusing and emerge at finite dimple size, bypassing the pinch-off singularity. These jets emerge from the liquid contained originally in the drop. Finally, we measure directly the compression of the central bubble following the pinch-off and the subsequent large volume oscillation, which occurs at frequencies slightly above the audible range at approximately 23 kHz.
  • Array,Son Dao Vu; Truong; Kazuhiro Shimonomura; Kohsei Takehara; Takeharu Goji Etoh
    Sensors 18 8 2407  2018年08月 [査読有り]
  • 久末 信幸; 竹原 幸生
    土木学会論文集Ｂ１（水工学） 74 5 I_715 - I_720 公益社団法人 土木学会 2018年 
    渦によって自由水面から空気を吸込む空気吸込渦は水力発電施設では水車発電機の振動等を引き起こすため対策が必要とされる．著者らはこれまでに水深変化に対応できる渦対策工である傾斜壁の渦抑制効果を実験的に明らかにした．しかしながら，ある条件下では渦の発生回数の増加や「水中渦」が発生し問題となった．本研究ではその要因解明の一例として，傾斜壁の支点位置を上方に移動し，鉛直管直上の流路高さを確保した場合の定性的な渦抑制効果について検討を行った．検討の結果，傾斜壁の設置角度を大きくし空気吸込渦の起因となる水面近傍の旋回する流れを抑制するとともに，取水路内の流路高さを確保して中低層の流速の増加を抑制することで，流れ場全体を安定させることが重要であることがわかった．
  • T. Goji Etoh; Kazuhiro Shimonomura; Anh Quang Nguyen; Kohsei Takehara; Yoshinari Kamakura; Paul Goetschalckx; Luc Haspeslagh; Piet De Moor; Vu Truong Son Dao; Hoang Dung Nguyen; Naoki Hayashi; Yo Mitsui; Hideo Inumaru
    Progress in Biomedical Optics and Imaging - Proceedings of SPIE 10505 2018年 [査読有り]
     
    Two ultrahigh-speed CCD image sensors with different characteristics were fabricated for applications to advanced scientific measurement apparatuses. The sensors are BSI MCG (Backside-illuminated Multi-Collection-Gate) image sensors with multiple collection gates around the center of the front side of each pixel, placed like petals of a flower. One has five collection gates and one drain gate at the center, which can capture consecutive five frames at 100 Mfps with the pixel count of about 600 kpixels (512 x 576 x 2 pixels). In-pixel signal accumulation is possible for repetitive image capture of reproducible events. The target application is FLIM. The other is equipped with four collection gates each connected to an in-situ CCD memory with 305 elements, which enables capture of 1,220 (4 x 305) consecutive images at 50 Mfps. The CCD memory is folded and looped with the first element connected to the last element, which also makes possible the in-pixel signal accumulation. The sensor is a small test sensor with 32 x 32 pixels. The target applications are imaging TOF MS, pulse neutron tomography and dynamic PSP. The paper also briefly explains an expression of the temporal resolution of silicon image sensors theoretically derived by the authors in 2017. It is shown that the image sensor designed based on the theoretical analysis achieves imaging of consecutive frames at the frame interval of 50 ps.
  • 久末信幸; 竹原幸生
    土木学会論文集 B1(水工学)(Web) 74 4 I_691‐I_696(J‐STAGE) - I_696 公益社団法人 土木学会 2018年 [査読有り]
     
    水力発電施設の取水設備に発生する空気吸込渦は水面から水路内に空気を吸い込み，水車発電機の振動による発電出力の低下を引き起こし，電力の安全，安定供給の支障となる．本研究では水力発電施設の鉛直取水設備を対象に渦対策工の一つである傾斜壁について，目視観察やPTVを用いて流れ場を把握し，渦抑制効果について検討を行った．検討の結果，取水路からの流れは傾斜壁により流れの衝突が緩和され，流れの向きが水平方向から鉛直方向斜め下向きにスムーズに変化する．水面近傍で水平方向に旋回する流れを抑制するため，渦抑制効果が大きくなることがわかった．また，傾斜壁の設置角度が大きくなり過ぎると，傾斜壁が鉛直管流入部に接近し，鉛直管の強い吸込みにより水中渦が形成されることがわかった．
  • S. Abe; T. Takagi; K. Takehara; N. Kimura; T. Hiraishi; K. Komeyama; S. Torisawa; S. Asaumi
    SPIE Proceedings 2017年02月 [査読有り]
  • 竹原幸生; 松井一彰
    土木学会論文集B1(水工学) 73 I_673 - I_678 土木学会 2017年 [査読有り]
  • 松井一彰; 横山雄一; 亀井訓平; 中口譲; 江口充; 谷口亮人; 竹原幸生; 麓隆行
    土木学会論文集G(環境) 73 3 134 - 142 公益社団法人 土木学会 2017年 [査読有り]
     
    合流式下水道越流水（Combined Sewer Overflow: CSO）が都市河川に及ぼす影響と，大規模雨水貯留管（平成の太閤下水）の供用による改善効果の評価を目的に，降雨時の東横堀川（大阪市）にて細菌叢を指標とした水質調査を実施した．東堀橋地点では，4.0 mm/hを越える降雨時にCSOが原因と思われる懸濁態物質濃度の上昇と，それに伴う細菌叢の変化が確認された．しかしこのとき確認された河川中の細菌叢は，下水処理場で入手した処理前下水の細菌叢とは異なるものであった．雨水貯留管供用後も降雨時に河川水の電気伝導度が増加したが，それに伴った河川中の細菌叢の変化は確認されなかった．雨水貯留管の供用は，CSO流入を抑制することで，河川水質の改善や河川微生物群集攪乱の緩和に効果があると考えられた．
  • 竹原 幸生
    土木学会論文集B1(水工学) 72 4 I_571 - I_576 公益社団法人 土木学会 2016年02月 [査読有り]
     
    In general intake facilities of hydroelectric power stations, intake vortices cause the air-hammer phenomena in the intake tunnel and the cavitation phenomena at blades of a water turbine generator by air-entrainments. In order to understand hydraulic characteristics of a vortex-suppressing device in a vertical intake facility, flow fields in the basic model of a vertical intake facility that combined a rectangular linear channel and a vertical pipe have been measured using a Particle Tracking Velocimetry (PTV). As a result, the relationship between installation positions of a vortex-suppressing device and number of occurrences of intake vortices indicates that the vortex-suppressing device installed near free surface and near vertical pipe is more effective.
  • 裏泰樹; 麓隆行; 竹原幸生
    資源・素材(Web) 2016 ROMBUNNO.3314 (WEB ONLY)  2016年
  • Hoang Dung Nguyen; Okinaka Tomoo; Takano Yasuhide; Takehara Kohsei; Vu Truong; Son Dao; Etoff Takeharu Goji
    MECHANICAL ENGINEERING JOURNAL 3 6 2016年 [査読有り]
  • 竹原 幸生
    土木学会論文集A1(応用力学） 70 2 I_709 - I_716 Japan Society of Civil Engineers 2015年02月 [査読有り]
     
    水中で球体を数cm上方から自由落下させ，底面に衝突したときにキャビテーション現象が生じることを超高速ビデオカメラによる撮影により明らかにした．生じるキャビテーション現象は次の3種類に分類できる：(1)球体と底面の衝突点に生じるディスク状のキャビテーションバブル，(2)衝突点から離れた水中に生じる球状のキャビテーションバブル，(3)球体表面および底面表面に生じる半球状のキャビテーションバブル．このキャビテーション現象の発生機構を明らかにするため，球体を自由落下させる実験に加えて，底面に静止している球体を引き上げる実験，および球体の下半分を底面に接触した状態を固定した模型に上方から衝撃を加える実験の3種類の実験を行った．上記の実験結果により，衝突点で生じるディスク状のキャビテーションバブルは球体の加速度運動に支配され，水中で生じる球状のキャビテーションバブルや球体や底面の表面に生じる半球状のキャビテーションバブルは球体衝突の衝撃力に支配されている可能性が高いことが分かった．
  • 竹原 幸生
    土木学会論文集B1(水工学） 71 4 I.523-I.528 (J-STAGE) - I_528 公益社団法人 土木学会 2015年02月 [査読有り]
     
    In intake facilities of a hydroelectric power station, intake vortices cause an air-hammer in an intake tunnel and a cavitation at turbine blades of a water turbine generator by air-entrainments. In order to understand hydraulic characteristics of intake vortices in a vertical intake facility, flow fields in the basic model of a vertical intake facility that combined a rectangular linear channel and a vertical pipe have been measured using a Particle Tracking Velocimetry(PTV). In the horizontal plane near the free surface around the end of the intake channel, the results show that vortices generated at the both sidewalls move to the occurrence region of intake vortices. And in the vertical plane at the center of the intake channel, the results show that local vortices unrelated to the approach flows occur at the outer edge of the vertical pipe.
  • Kohsei Takehara; Nobuyuki Hisasue; Yasuhide Takano
    PROCEEDINGS OF THE 36TH IAHR WORLD CONGRESS 4147 - 4154 2015年 [査読有り]
     
    In the hydro-electrical power station, water in the reservoir is taken into the electrical power generator through an intake facility. In the common intake facilities, the free surface flow merges into the closed pipe flow, which leads to the electrical power generator. Air entrapment by the intake vortices inside the surface intake facilities causes the deterioration of power generation, the destruction of blade in a turbine, and so on. It is very important for the hydro-electrical power station to suppress the air entrapment by the intake vortices. To suppress the air entrapment by the vortices, vortex-prevention devices have been proposed and some of them have been used in hydro-electrical power stations. Those vortex-prevention devices are effectively suppress the air entrapments in a certain hydraulic condition. However, the hydraulic properties of flow structure by those vortex-prevention devices are still unclear. In this research, the effects of the vortex-prevention devices in the surface intake facilities are investigated experimentally by using the particle tracking velocimetry (PTV). The vorticity distribution is evaluated by the Moving Least Square (MLS) method, which can accurately evaluate the vorticity from the randomly distributed velocity vectors obtained by the PTV. Three types of the surface intake facilities were tested to evaluate the effects of the vortex-prevention devices. The average velocity distribution, the turbulent properties distribution, the average vorticity distribution and statistics property distribution of vorticity are calculated from the obtained velocity distributions. The results show that the vortex-preventing devices effectively stabilize the flow in the dead water region. As a result, air-entrapment by surface vortex is suppressed by the vortex-preventing devices.
  • 高野保英; 竹原幸生
    土木学会論文集B1(水工学） 70 4 1_523 - 1_528 Japan Society of Civil Engineers 2014年02月 [査読有り]
     
    To measure the falling velocities, the diameters and the aspect ratios of raindrops, consecutive images of raindrops in the open air outside of our laboratory were captured by an ultra-high-speed video camera. For automatic image capturing and avoiding the damage to the image sensor of the video camera due to the strong continuous illumination, a new trigger device was newly introduced to the capturing setup.
    As a result of the image analysis of the falling raindrops images, the following findings were obtained, when the equivalent raindrop diameter is smaller than 3mm. (1)The relationship between the falling velocity and the raindrop diameter determined by our outdoor measurement is similar to that between the terminal velocity and the water drop diameter determined by Gunn and Kinzer's indoor experiment. (2)The aspect ratios of raindrops determined by our measurement is similar to that calculated by Pruppacherr's model of raindrop.
  • 竹原 幸生
    土木学会論文集B1(水工学） 70 4 I_757 - I_762 公益社団法人 土木学会 2014年02月 [査読有り]
     
    Air entrainments by vortices at water surfaces inside surface intake facilities of electrical power plants cause some problems, such as deterioration of power generation, destruction of blade in a turbine, etc. To suppress air entrainments by the vortices, some vortex-preventing devices have been proposed and have been used in many electrical power plants. The vortex-preventing devices used in the intake facilities are working effectively in many cases. However, the hydraulic properties of flow structure by the vortex-preventing devices are still unclear.
    In this paper, the effects of the vortex-preventing devices in surface intake facilities have been investigated experimentally by using the particle tracking velocimetry. The results show that the vortex-preventing devices suppress the turbulent intensity and the vorticity inside the facility.
  • M.-J. Thoraval; K. Takehara; T. G. Etoh; S. T. Thoroddsen
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 724 234 - 258 2013年06月 [査読有り]
     
    We use ultra-high-speed video imaging to look at the initial contact of a drop impacting on a liquid layer. We observe experimentally the vortex street and the bubble-ring entrapments predicted numerically, for high impact velocities, by Thoraval et al. (Phys. Rev. Lett., vol. 108, 2012, article 264506). These dynamics mainly occur within 50 mu s after the first contact, requiring imaging at 1 million f.p.s. For a water drop impacting on a thin layer of water, the entrapment of isolated bubbles starts through azimuthal instability, which forms at low impact velocities, in the neck connecting the drop and pool. For Reynolds number Re above similar to 12 000, up to 10 partial bubble rings have been observed at the base of the ejecta, starting when the contact is similar to 20% of the drop size. More regular bubble rings are observed for a pool of ethanol or methanol. The video imaging shows rotation around some of these air cylinders, which can temporarily delay their breakup into micro-bubbles. The different refractive index in the pool liquid reveals the destabilization of the vortices and the formation of streamwise vortices and intricate vortex tangles. Fine-scale axisymmetry is thereby destroyed. We show also that the shape of the drop has a strong influence on these dynamics.
  • Takashi Kambe; Kohsei Takehara; Shuji Tsukiyama
    2013 IEEE 4TH LATIN AMERICAN SYMPOSIUM ON CIRCUITS AND SYSTEMS (LASCAS) 2013年 [査読有り]
     
    The main bottleneck in system LSI performance is, in many cases, the processing overhead that occurs when arithmetic calculations are performed multiple times. The circuit size and processing time required for multiplication, division and other basic arithmetic operations are often especially large. In this paper we propose an application-specific arithmetic circuit design methodology and apply it to the design of a correlation coefficient calculation circuit for a particle tracking application. Particle tracking velocimetry (PTV) measures velocity fluctuations in fluids and gases and has been applied to a diverse range of flows. However, the algorithms are computationally intensive so to achieve real-time processing speeds implementation in hardware is essential. The computational overhead is accelerated by applying code refactoring, memory access optimization, and variable length pipelining. The processing speed and the circuit size of the design are evaluated. We show that the hardware solution is 1,000 times faster than the software solution and is able to achieve real-time processing speeds.
  • S. T. Thoroddsen; M.-J. Thoraval; K. Takehara; T. G. Etoh
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 708 469 - 479 2012年10月 [査読有り]
     
    When a drop impacts at low velocity onto a pool surface, a hemispheric air layer cushions and can delay direct contact. Herein we use ultra-high-speed video to study the rupture of this layer, to explain the resulting variety of observed distribution of bubbles. The size and distribution of micro-bubbles is determined by the number and location of the primary punctures. Isolated holes lead to the formation of bubble necklaces when the edges of two growing holes meet, whereas bubble nets are produced by regular shedding of micro-bubbles from a sawtooth edge instability. For the most viscous liquids the air film contracts more rapidly than the capillary-viscous velocity through repeated spontaneous ruptures of the edge. From the speed of hole opening and the total volume of micro-bubbles we conclude that the air sheet ruptures when its thickness approaches similar to 100 nm.
  • Micro-splashing by drop impacts
    S. T. Thoroddsen; K. Takehara; T. G. Etoh
    Physical Review Letters 706 560 - 570 2012年07月 [査読有り]
  • 村田 圭治; 荒賀 浩一; 江藤 剛治; 竹原 幸生
    実験力学 : journal of JSEM 12 2 107 - 113 The Japanese Society for Experimental Mechanics 2012年06月 [査読有り]
     
    This paper presents visualization of boiling phenomena and formation of the two-phase flow pattern in a mini tube which has a 0.30mm inner diameter. Test fluid is refrigerant HCFC123. ITO film is formed by vapor deposition over the outer surface of the glass tube. This film is transparent and electrically conductive. Refrigerant HCFC123 is pumped into the glass tube in liquid phase; it then is boiled away by electrical heating. Bubble formation and growth near the onset point of nucleate boiling and the two-phase flow pattern in the low-quality region is recorded via high-speed video camera (10,000 - 50,000 fps). Appearance of bubble formation and growth in a mini-tube depends on heat flux and mass flux. For low heat flux, an isolated bubble grows to occupy the whole tube cross section, and flows in a form resembling a bullet. Liquid film is not observed between this vapor bubble and the inner tube surface, and evaporation is not so dominant. For high heat flux and low mass flux, bubbles grow to coalesce immediately into a long vapor plug; and both nucleate boiling and evaporation from liquid film between the vapor plug and the inner tube surface remain dominant.
  • Marie-Jean Thoraval; Kohsei Takehara; Takeharu Goji Etoh; Stephane Popinet; Pascal Ray; Christophe Josserand; Stephane Zaleski; Sigurdur T. Thoroddsen
    PHYSICAL REVIEW LETTERS 108 26 1 - 5 2012年06月 [査読有り]
     
    The splashing of a drop impacting onto a liquid pool produces a range of different sized microdroplets. At high impact velocities, the most significant source of these droplets is a thin liquid jet emerging at the start of the impact from the neck that connects the drop to the pool. We use ultrahigh-speed video imaging in combination with high-resolution numerical simulations to show how this ejecta gives way to irregular splashing. At higher Reynolds numbers, its base becomes unstable, shedding vortex rings into the liquid from the free surface in an axisymmetric von Karman vortex street, thus breaking the ejecta sheet as it forms.
  • Keiji Murata; Koichi Araga; Takeharu Etoh; Kohsei Takehara
    ICEM15: 15TH INTERNATIONAL CONFERENCE ON EXPERIMENTAL MECHANICS 2012年 [査読有り]
     
    We present a visualization of boiling phenomena and formation of a two-phase flow pattern in a mini-tube with an inner diameter of 0.30 mm. An indium tin oxide (ITO) film is formed by vapor deposition over the outer surface of the glass tube through which refrigerant HCFC123 is pumped in the liquid phase and then boiled away by electrical heating. The appearance of bubble formation and the growth of vapor plugs in a mini-tube depend on the heat and mass fluxes. The different behavior observed for the cases of low and high heat flux indicates that the heat transfer mechanism near the onset point of nucleate boiling not only involves nucleate boiling but also depends on the liquid film evaporation. Also, elongation and coalescence of the vapor plugs affect the liquid flow between the plug and inner tube surface and the heat transfer performance.
  • 久末信幸; 竹原 幸生; 津守雄介; 前田裕史
    水工学論文集 55 4 I_1117 - I_1122 土木学会 2011年03月 [査読有り]
     
    Aeration by free surface vortex in hydro-electric facilities has been investigated for many years. The studies on free surface vortex have been mainly conducted by model experiment that required many works and costs. Combination of image velocimetry and numerical simulation is a powerful tool for estimation of occurrence of aeration by free surface vortex. The knowledge of aeration by free surface vortex is necessary to designing the hydro-electric facilities quickly and efficiently. In this paper, the technique to measure the velocity field and free surface profile simultaneously has been developed by using image processing techniques. The developed technique is applied to experiments on the aeration by free surface vortex in order to clarify relationship between free surface profile and circulation of flow fields. The results show some interesting phenomena related to aeration by free surface vortex.
  • A 16 Mfps 165kpixel Backside-Illuminated CCD
    Takeharu G. Etoh; Dung H. Nguyen; Son V. T. Dao; Cuong L. Vo; Masatoshi Tanaka; Kohsei Takehara; Tomoo Okinaka; Harry van Kuijk; Wilco Klaassens; Jan Bosiers; Michael Lesser; David Ouellette; Hirotaka Maruyama; Tetsuya Hayashida; Toshiki Arai
    2011 IEEE International Solid-State Circuits Conference 12 - 14 2011年02月 [査読有り]
  • DAO Vu Truong Son; ETOH Takeharu; TAKEHARA Kohsei; NGUYEN H. D.; Nishi Kenji; KURETA Masatoshi; SEGAWA Mariko; ARAI Masatoshi
    映像情報メディア学会技術報告 35 9 - 12 一般社団法人 映像情報メディア学会 2011年 
    A new ultra-high-speed image sensor "Hybrid CMOS/CCD ISAS" is presented. ISAS stands for "Image Signal Accumulation Sensor". A folded CCD is installed in each pixel, which serves as an in-situ memory for parallel recording at all pixels. The CCD is looped so that image signals captured at plural of capturing operations are automatically accumulated on the memory CCD. A CMOS readout circuitry is also installed in the pixel for fast and flexible signal readout. By directly reading out signals through the CMOS readout circuit without recording them in the in-pixel CCD memory, the sensor works as a conventional parallel and partial readout high-speed imager as well. A set of Z-shaped electrodes is proposed to fold the CCD and fabricate it with a standard CMOS process. Therefore, the sensor can be fabricated solely with a CIS process. Technical feasibility of the sensor is confirmed through simulations.
  • 江藤 剛治; Nguyen H. D.; Dao V. T. S.; 田仲 正敏; 竹原 幸生; 沖中 知雄; 丸山 裕孝; 林田 哲哉; 新井 俊希; 呉田 昌俊; 瀬川 麻里子; 新井 正敏
    映像情報メディア学会技術報告 35 23 - 26 一般社団法人 映像情報メディア学会 2011年 [査読有り]
     
    2010年に1,600万コマ/秒の裏面照射撮像素子を開発した.このセンサーの予備評価の結果を要約する.次世代超高速度撮像素子のコンセプトについても紹介する.この素子は超高速度・超高感度に加えて画像信号積算という新しい機能も内蔵している.
  • S. T. Thoroddsen; M.-J. Thoraval; K. Takehara; T. G. Etoh
    PHYSICAL REVIEW LETTERS 106 3 1 - 5 2011年01月 [査読有り]
     
    When a drop impacts onto a liquid pool, it ejects a thin horizontal sheet of liquid, which emerges from the neck region connecting the two liquid masses. The leading section of this ejecta bends down to meet the pool liquid. When the sheet touches the pool, at an "elbow,'' it ruptures and sends off microdroplets by a slingshot mechanism, driven by surface tension. High-speed imaging of the splashing droplets suggests the liquid sheet is of submicron thickness, as thin as 300 nm. Experiments in partial vacuum show that air resistance plays the primary role in bending the sheet. We identify a parameter regime where this slingshot occurs and also present a simple model for the sheet evolution, capable of reproducing the overall shape.
  • 風波砕波下における渦運動のPTV計測
    竹原 幸生; 江藤 剛治
    ながれ 29 437 - 439 日本流体力学会 2010年12月 [招待有り]
  • S. T. Thoroddsen; H. D. Nguyen; K. Takehara; T. G. Etoh
    PHYSICAL REVIEW E 82 4 046107  2010年10月 [査読有り]
     
    The peeling of adhesive tape is known to proceed with a stick-slip mechanism and produces a characteristic ripping sound. The peeling also produces light and when peeled in a vacuum, even X-rays have been observed, whose emissions are correlated with the slip events. Here we present direct imaging of the detachment zone when Scotch tape is peeled off at high speed from a solid surface, revealing a highly regular substructure, during the slip phase. The typical 4-mm-long slip region has a regular substructure of transverse 220 mu m wide slip bands, which fracture sideways at speeds over 300 m/s. The fracture tip emits waves into the detached section of the tape at similar to 100 m/s, which promotes the sound, so characteristic of this phenomenon.
  • S. T. Thoroddsen; K. Takehara; T. G. Etoh
    PHYSICS OF FLUIDS 22 5 051701  2010年05月 [査読有り]
     
    When a viscous drop impacts onto a solid surface, it entraps a myriad of microbubbles at the interface between liquid and solid. We present direct high-speed video observations of this entrapment. For viscous drops, the tip of the spreading lamella is separated from the surface and levitated on a cushion of air. We show that the primary mechanism for the bubble entrapment is contact between this precursor sheet of liquid with the solid and not air pulled directly through cusps in the contact line. The sheet makes contact with the solid surface, forming a wetted patch, which grows in size, but only entraps a bubble when it meets the advancing contact line. The leading front of this wet patch can also lead to the localized thinning and puncturing of the liquid film producing strong splashing of droplets. (C) 2010 American Institute of Physics. [doi:10.1063/1.3407654]
  • Harald Kleine; Cuong Vo Le; Kohsei Takehara; T. Goji Etoh
    JOURNAL OF VISUALIZATION 13 1 33 - 40 2010年02月 [査読有り]
     
    When a shock wave leaves an open-ended shock tube, it generates a vortex ring that subsequently detaches from the shock tube and follows the expanding shock front. This classical problem of shock-vortex interaction has been visualized in unprecedented detail and temporal resolution by means of time-resolved shadow, schlieren and shearing interferometry sequences obtained with a newly developed ultrahigh-speed color video camera. This device is capable of taking 144 frames with full-frame resolution of 720 x 410 pixels at rates of up to one million frames per second. Apart from shadowgraphy, the visualization techniques used in this study were direction- and magnitude-indicating color schlieren and polychrome shearing interferometry. The process was observed both with the standard normal view of the flow field and with an oblique view, which facilitated the identification of some three-dimensional flow features. The obtained results clearly show the development of individual flow elements, including some that so far have eluded a proper description. One example is the secondary, counter-rotating vortex ring, which at a later time wraps around the main vortex ring before disintegrating upon merging with the shear layer that surrounds the gas exiting from the tube.
  • Dao Vu Truong Son; Takeharu Goji Etoh; Masatoshi Tanaka; Nguyen Hoang Dung; Vo Le Cuong; Kohsei Takehara; Toshiro Akino; Kenji Nishi; Hitoshi Aoki; Junichi Nakai
    SENSORS 10 1 16 - 35 2010年01月 [査読有り]
     
    Our experience in the design of an ultra-high speed image sensor targeting the theoretical maximum frame rate is summarized. The imager is the backside illuminated in situ storage image sensor (BSI ISIS). It is confirmed that the critical factor limiting the highest frame rate is the signal electron transit time from the generation layer at the back side of each pixel to the input gate to the in situ storage area on the front side. The theoretical maximum frame rate is estimated at 100 Mega-frames per second (Mfps) by transient simulation study. The sensor has a spatial resolution of 140,800 pixels with 126 linear storage elements installed in each pixel. The very high sensitivity is ensured by application of backside illumination technology and cooling. The ultra-high frame rate is achieved by the in situ storage image sensor (ISIS) structure on the front side. In this paper, we summarize technologies developed to achieve the theoretical maximum frame rate, including: (1) a special p-well design by triple injections to generate a smooth electric field backside towards the collection gate on the front side, resulting in much shorter electron transit time; (2) design technique to reduce RC delay by employing an extra metal layer exclusively to electrodes responsible for ultra-high speed image capturing; (3) a CCD specific complementary on-chip inductance minimization technique with a couple of stacked differential bus lines.
  • Hitoshi Nakano; Sayoko Yokoi; Shigeru Yoshida; Makoto Yamada; Takeshi Takeuchi; Kohsei Takehara; T. Goji Etoh
    REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 81 1 13705  2010年01月 [査読有り]
     
    Ultrahigh-speed microscopy of living specimens requires ultrabright illumination. Moreover, the duration of illumination should be sufficiently long, on the order of at least several tens of milliseconds, in order to investigate the dynamic state of living specimens. However, specimens are exposed to a high risk of damage by the intense illumination. The brightness and pulse duration of illumination have to be continuously controlled for use in the ultrahigh-speed microscopy of living specimens. Commercial or laboratory-made illumination systems do not satisfy the abovementioned requirements. In this paper, the development of a bright and long-pulse illumination system for ultrahigh-speed microscopy of living specimens is presented. A xenon flashlamp with an arc length of 1.5 mm has been used as the light source. The electrical power supply consists of a voltage-regulated circuit, a capacitor bank, and a control circuit including an insulated-gate bipolar transistor as a gating device, which provides a large rectangular current pulse with the duration in the range to the order of several tens of milliseconds. The brightness, pulse duration, and repetition rate can be easily and continuously controlled. The illumination developed in the present study is installed in an inverted fluorescence microscope equipped with a high-speed camera in order to evaluate the performance as an illumination source. A fluorescent image of the living spermatozoa of a mouse obtained at a frame rate of 8 kHz shows good contrast. Such an image cannot be obtained using a commercial illumination system.
  • S. T. Thoroddsen; K. Takehara; T. G. Etoh; C. -D. Ohl
    PHYSICS OF FLUIDS 21 11 1 - 5 2009年11月 [査読有り]
     
    We use high-speed video imaging to study laser disruption of the free Surface of a hemispheric drop. The drop sits on a glass surface and the Nd:YAG (yttrium aluminum garnet) laser pulse propagates through the drop and is focused near the free surface from below We focus on the evolution of the cylindrical liquid sheet and spray which emerges Out of the drop and resembles typical impact crowns. The tip of the sheet emerges at velocities over I km/s. The tip of the crown breaks up into fine spray some of which is sucked back into the growing cavity at about 100 m/s. We measure the size of the typical spray droplets to be about 3 mu m. We also show the formation of fine microjets, which are produced when the laser is focused inside the drop and the shock front hits small bubbles sitting tinder the free Surface. For water these microjets are 5-50 mu m in diameter and exit at 100-250 m/s. For higher viscosity drops. these lets call emerge at over 500 m/s. (C) 2009 American Institute of Physics [doi: 10.1063/1.3253394]
  • K. Arakawa; T. Mada; H. Komatsu; T. Shimizu; M. Satou; K. Takehara; G. Etoh
    EXPERIMENTAL MECHANICS 49 4 471 - 477 2009年08月 [査読有り]
     
    The normal impact between a golf ball and a rigid steel target was studied to examine ball deformation and the contact force during the impact. Using high-speed video images, the normal and tangential compression ratios of the ball were measured to analyze the ball deformation quantitatively. In addition, the inbound and rebound ball velocities, contact time, and coefficient of restitution were determined as basic parameters of the impact. As the inbound ball velocity increased, the maximum normal compression ratio increased while the maximum tangential compression ratio, contact time and coefficient of restitution decreased. The ball center displacements during the impact were measured to determine the ball center velocity and acceleration, and the contact force was calculated by the product of the mass and acceleration. The contact force increased almost linearly with the inbound ball velocity, and its relationship agreed well quantitatively with the results from a load-cell, and also agreed well qualitatively with Hertz contact theory.
  • T. Tamano; M. Kanaoka; K. Takehara; N. Mizutani
    Proceedings of the 17th International Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering: The Academia and Practice of Geotechnical Engineering 1 356 - 359 2009年 [査読有り]
     
    In this study, impact splitting tests were carried out by loading cylindrical granite specimens horizontally and obtaining the crack propagation velocities by an image analysis using a super-high-speed video camera, which has the fastest frame rate in the world. The relationship between the impulse and the crack propagation velocity indicates that there appears to be a critical state at which the crack propagation velocity does not exceed a certain value even if an increased impulse is applied. The critical value obtained for the granite specimens was 2.6 km/sec. © 2009 IOS Press.
  • B. W. Skews; H. Kleine; D. MacLucas; K. Takehara; H. Teranishi; T. G. Etoh
    28TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HIGH-SPEED IMAGING AND PHOTONICS 7126 2009年 [査読有り]
     
    The visual study of unsteady shock wave dynamics has in the past predominantly been done using single-shot images. The advent of ultra-fast, good-resolution high-speed digital cameras has changed this state of affairs and allows the true development of the flow to be studied. It enables the detection of weaker features which are easily overlooked in single-shot visualizations by virtue of the fact that human vision is very sensitive to detecting the motion of an object, even if it generates only a faint optical signal. Recent application of these devices to the study of the focusing of a shock wave in a cylindrical cavity has identified a number of previously unknown features, while other features that previously had been inadequately reported could be clearly identified and explained The observation of deliberately generated weak disturbances allows the quantification of which part of the flow is influenced by which part of the boundaries encompassing it. Whilst the imaging itself is very useful it is also highly desirable to use techniques from which quantitative data can be obtained. Color, such as in direction-and magnitude-indicating color schlieren, and polychrome shearing interferometry, adds an additional dimension to such investigations.
  • S. T. Thoroddsen; K. Takehara; T. G. Etoh
    MODERN PHYSICS LETTERS B 23 3 361 - 364 2009年01月 [査読有り]
     
    When a drop impacts onto a solid surface, it spreads out into a pancake shape and often forms a dry-spot at the center of the drop. We show that this dewetting at the center is sometimes produced by a small bubble of air which is entrapped on the substrate under the center of the drop. Capillary waves are generated on the surface of the pancake, during the rebounding of the lamellar edge. As these capillary waves converge at the axis of symmetry, their amplitude grows in size until a wave trough touches and merges with the entrapped bubble. This opens up a dry-patch at the center of the splash. We use state-of-the art high-speed video imaging to study this process, for a drop impacting onto a Perspex surface. The imaging is done by looking through the bottom plate to reveal the detailed motions of the capillary waves.
  • H. Kleine; S. Tepper; K. Takehara; T. G. Etoh; K. Hiraki
    SHOCK WAVES, VOL 2, PROCEEDINGS 895 - + 2009年 [査読有り]
  • Cuong Vo Le; H. D. Nguyen; V. T. S. Dao; K. Takehara; T. G. Etoh; T. Akino; K. Nishi; K. Kitamura; T. Arai; H. Maruyama
    28TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HIGH-SPEED IMAGING AND PHOTONICS 7126 2009年 
    A feasibility study is presented for an image sensor capable of image capturing at 100 Mega-frames per second (Mfps). The basic structure of the sensor is the backside-illuminated ISIS, the in-situ storage image sensor, with slanted linear CCD memories, which has already achieved 1 Mfps with very high sensitivity. There are many potential technical barriers to further increase the frame rate up to 100 Mfps, such as traveling time of electrons within a pixel, Resistive-Capacitive (RC) delay in driving voltage transfer, heat generation, heavy electro-magnetic noises, etc. For each of the barriers, a countermeasure is newly proposed and the technical and practical possibility is examined mainly by simulations. The new technical proposals include a special wafer with n and p double epitaxial layers with smoothly changing doping profiles, a design method with curves, the thunderbolt bus lines, and digitalnoiseless image capturing by the ISIS with solely sinusoidal driving voltages. It is confirmed that the integration of these technologies is very promising to realize a practical image sensor with the ultra-high frame rate.
  • K. Takehara; T. G. Etoh; T. Tamano; M. Kanaoka; N. Mizutani
    28TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HIGH-SPEED IMAGING AND PHOTONICS 7126 2009年 
    The authors applied an ultra-high-speed video camera to visualize crack propagation in brittle bodies, such as mortar specimens, under the impact splitting test. Strain of the brittle bodies in impact splitting tests was analyzed by means of PIV (Particle Image Velocimtery), which is usually used for measurements of flow fields with tracer particles. The results show that, when the applied impulse on the mortar specimens is increased, the crack propagation velocity reaches an upper bound. The upper bound of the crack propagation velocity was 2.6 km/sec. The horizontal tensile strain around the crack tip was estimated to be 370 mu by PIV measurement with the ultra-high-speed camera, and 270 375 mu by strain gages, respectively. Those results showed a good agreement with each other.
  • H. D. Nguyen; C. Vo-Le; V. T. S. Dao; K. Takehara; T. G. Etoh; Y. Kondo; H. Maruno; H. Tominaga; H. Soya; H. van Kuijk; J. Bosiers; W. Klaassens; G. Ingram; S. Singh; M. Lesser
    28TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HIGH-SPEED IMAGING AND PHOTONICS 7126 2009年 
    This paper presents preliminary evaluation results of a test sensor of the backside-illuminated ISIS, an ultra-high sensitivity and ultra-high speed CCD image sensor. To achieve ultra-high sensitivity, the CCD image sensor employs the following three technologies: backside illumination, cooling and Charge Carrier Multiplication (CCM). The test sensor has been designed, fabricated and evaluated. At room temperature without cooling, the video camera has about ten-time higher sensitivity than the previous one, which was supported by a conventional front side illumination technology. Furthermore, the video camera can detect images at very low signal level, less than 5 e-, by using CCM at -40 degree C.
  • Sota Nakajo; Takaaki Shigematsu; Gozo Tsujimoto; Kohsei Takehara
    COASTAL ENGINEERING 2008, VOLS 1-5 4738 - + 2009年 [査読有り]
     
    Turbulent flow inside a porous media in unidirectional flow was measured by PTV technique with high resolution in time and space. According to the measurement results, turbulence developed drastically after laminar flow intruding porous media and decreased gradually in the wake region downstream. Although turbulent properties and structure depended on the Reynolds number, normalized turbulent energy considering pore size inside porous media was independent of the Reynold number.
  • Sota Nakajo; Takaaki Shigematsu; Naoya Sakashita; Gozo Tsujimoto; Kohsei Takehara
    PROCEEDINGS OF COASTAL DYNAMICS 2009 2009年 [査読有り]
  • 竹原幸生; 江藤剛治
    土木学会論文集B 65 3 151 - 165 2009年 [査読有り]
  • 江藤 剛治; 吉田 繁; 中野 人志; 竹原 幸生; 横井 佐代子
    Proceedings of SPIE 7126 2009年 [査読有り]
     
    We are developing an ultra-high-sensitivity and ultra-high-speed imaging system for bioscience, mainly for imaging of microbes with visible light and cells with fluorescence emission. Scarcity of photons is the most serious problem in applications of high-speed imaging to the scientific field. To overcome the problem, the system integrates new technologies consisting of (1) an ultra-high-speed video camera with sub-ten-photon sensitivity with the frame rate of more than 1 mega frames per second, (2) a microscope with highly efficient use of light applicable to various unstained and fluorescence cell observations, and (3) very powerful long-pulse-strobe Xenon lights and lasers for microscopes. Various auxiliary technologies to support utilization of the system are also being developed. One example of them is an efficient video trigger system, which detects a weak signal of a sudden change in a frame under ultra-high-speed imaging by canceling high-frequency fluctuation of illumination light. This paper outlines the system with its preliminary evaluation results.
  • S. Yokoi; H. Nakano; M. Yamada; P. Karimov; K. Takehara; S. Yoshida; T. G. Etoh
    28TH INTERNATIONAL CONGRESS ON HIGH-SPEED IMAGING AND PHOTONICS 7126 2009年 
    Although we have aspired to observe dynamic changes in fluorescent images at the cellular level for a long time, the commercially available video cameras are not at all suitable for this purpose because of their low frame rates and photosensitivity. The present work tackles this issue and describes our attempt to find a solution by using our high-speed video camera and an ultrabright illumination system. We used light sources with considerably higher energy because conventional mercury lamps cannot produce sufficient brightness for our video cameras working a rate of more than 4,500 fps to obtain fluorescent images of cells. We observed that the flagellar movement of mice sperms ceased and multiple kinks developed in their tails when exposed to 2.7W of laser illumination for 1 s. In contrast, no significant alterations could be detected when the sperms were subjected to the same amount of energy by intermittent illumination. Since we found that cells can survive short-duration exposure to high-energy light, we attempted to construct an ultrabright Xenon-strobe illumination system. Our fluorescence studies are currently being extended to other types of animal cells, e. g., observation of the conduction of action potentials in the peripheral nerves of frog.
  • Kentaro Shinoda; Hideyuki Murakami; Seiji Kuroda; Kohsei Takehara; Sachio Oki
    JOURNAL OF THERMAL SPRAY TECHNOLOGY 17 5-6 623 - 630 2008年12月 [査読有り]
     
    The authors have developed an in situ monitoring system for particle impacts under atmospheric dc plasma spraying conditions. This system utilized a high-speed video camera coupled with a long-distance microscope, and was capable of capturing the particle-impinging phenomena at one million frames per second. To understand the coating formation mechanism, two approaches were attempted, i.e., observation of the single splat formation and the subsequent coating formation. In the former case, the deformation and cooling processes of yttria-stabilized zirconia (YSZ) droplets impinging on substrates were successfully captured. In the latter case, multiple-droplet-impacting phenomena were observed as an ensemble treatment. Representing the coating process, the tower formation (0-dimensional) and bead formation (1-dimensional) were observed under typical plasma spray conditions for thermal barrier coatings using a triggering system coupled with the motion of a robot. The obtained images clearly showed the coating formation resulting from the integration of single splats.
  • 中條壮大; 重松孝昌; 坂下直也; 辻本剛三; 竹原幸生
    海岸工学論文集 第55巻 841 - 845 Japan Society of Civil Engineers 2008年 [査読有り]
     
    The effect of oscillatory flow properties, the Reynolds number and the KC number, on turbulence generated by a porous media was investigated by hydraulic experiment. Violent turbulence was generated when interstitial velocity exceeded a critical level. Turbulent energy generated in pores increased as the Reynolds number increased. In a porous media, difference between minimum and maximum values of turbulent energy was increased as the KC number increased. And outside porous media, turbulent energy spread widely as the KC number increased. Under unsteady oscillatory flow, maximum turbulent energy was larger than that of unidirectional steady flow.
  • 竹原幸生; 江藤剛治; 重松孝昌
    海岸工学論文集 第55巻 51 - 55 Japan Society of Civil Engineers 2008年 [査読有り]
     
    Behavior of vortices near the wind wave surface is measured by using three high-speed video cameras and the Moving Least Square (MLS) method for vorticity estimations. The high-speed video cameras can increase the sampling rate andthe MLS method can estimate accurate vorticity profile from randomly distributed velocity profiles. The Particle Tracking Velocimetry, PTV, is applied to measure two dimensional flow fields close to the interface in detail. The vorticesare generated at the surfaces by the interaction between the wind shear and wind waves. The generated vorticesseparate from the surface and fall down to the bulk water. The generated vortex increases their spatial scale by unitingthe other vortex.
  • S. T. Thoroddsen; T. G. Etoh; K. Takehara
    ANNUAL REVIEW OF FLUID MECHANICS 40 257 - 285 2008年 [査読有り]
     
    This review presents recent technological advances in charge-coupled-device ultrahigh-speed video cameras and their applications in experimental fluid mechanics. Following a brief review of the various high-speed camera types, we point out the advantages of the new technology. Then we show examples of how these cameras are leading to new discoveries in the study of free-surface flows, emphasizing the dynamics of drops and bubbles. We specifically review work on the basic singularities occurring when liquid masses come into contact and coalesce, or break apart during the pinch-off of drops or bubbles from a vertical nozzle. We briefly discuss the imaging of cavitation bubbles and finish by outlining future prospects for these sensors.
  • Pavel Karimov; Cuong Vo Le; Kohsei Takehara; Sayoko Yokoi; Takeharu Goji Etoh; Yoshiharu Saitoh
    REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS 78 11 113702  2007年11月 [査読有り]
     
    A phototrigger system is developed as a part of a video microscope mounting an ultrahigh-speed video camera capable of image capturing at frame rates as high as 1x10(6) frames/s. The extremely high frame rate is achieved by implementing in situ image storage. A distinguished feature of the camera is the on-chip overwriting mechanism that allows to keep in storage the latest image sequence of 103 frames; the old signals are continuously drained out of the storage. The trigger system is designed to synchronize recording operations with an occurrence of a target event within the limited image capturing duration. The target event is detected through a sudden change in the output of a sensor mounted to an optical port of the microscope. To reduce noise contribution, a two-sensor architecture is implemented. One sensor detects the target event while the one produces a reference signal used for noise reduction. Both sensors are connected to the same optical port by using a specially designed beam splitting unit. To provide high sensitivity, avalanche photodiodes are used as photoelements. System evaluation shows that its sensitivity is high and response time is less than 3 mu s. This is sufficiently fast for high-speed video-microscopy observations at 1x10(6) frames/s when using a video camera with a storage of 103 frames. As an example, the system was used in a microscopic observation of a soap film collapse. (C) 2007 American Institute of Physics.
  • S. T. Thoroddsen; B. Qian; T. G. Etoh; K. Takehara
    PHYSICS OF FLUIDS 19 7 072110  2007年07月 [査読有り]
     
    When two drops of different miscible liquids are brought into contact, their coalescence speed is governed by the liquid having the weaker surface tension. Marangoni waves propagate along the drop with the stronger surface tension. We present surface profiles and propagation speeds of these waves, from experiments with a pendent water drop coalescing with a flat ethanol surface or with a sessile drop of ethanol. We find in the former case that the capillary-Marangoni waves along the water drop show self-similar character when measured in terms of arc length along the original surface. The coalescence of two liquids of different viscosities is also studied. For large viscosity difference, mobility is confined to the lower viscosity fluid and a sharp corner forms where the two liquids meet along the free surface. The coalescence speed of a water drop with a much more viscous liquid is nearly independent of the strength of the viscosity difference. (c) 2007 American Institute of Physics.
  • S. T. Thoroddsen; T. G. Etoh; K. Takehara
    PHYSICS OF FLUIDS 19 5 052101  2007年05月 [査読有り]
     
    We present experimental observations of microjetting from an oscillating drop. The jet is generated by the focusing of axisymmetric capillary waves that overturn and collide at an apex of the drop. These jets are up to two orders of magnitude smaller than the original drops. We present two widely different configurations that produce such microjets. The first occurs on a satellite drop, produced by the pinch-off of a water drop from a vertical nozzle. The large oscillations following the contraction of the satellite bridge focus waves at the bottom, sending out a 30 mu m jet at 9.9 m/s. The second jet arises when a water drop, containing surfactants, falls onto and passes through a hemispherical soap film. The gentle deformation of the drop creates a surface wave that focuses at its top, shooting out a tiny jet and entrapping a small bubble inside the drop. This jet is 16 +/- 5 mu m in diameter and emerges at 6.3 m/s. In this configuration, the soap film wraps around the drop and acts as a sensor of the air flow, revealing that the liquid jet is preceded by a localized faster-moving air jet. The jetting in both configurations is quite robust and occurs even for slightly asymmetric conditions. These microjets appear for much lower values of the Reynolds and Weber numbers than previously observed, suggesting that free-surface jetting is not limited to the inviscid capillary-inertial regime, which has been the focus of much of the theoretical work. (c) 2007 American Institute of Physics.
  • Kentaro Shinoda; Hideyuki Murakami; Seiji Kuroda; Sachio Oki; Kohsei Takehara; Takeharu Goji Etoh
    APPLIED PHYSICS LETTERS 90 19 pp.194103-1 – 194193-3  2007年05月 [査読有り]
     
    The authors have developed an in situ monitoring system that captures the impacting phenomena of plasma-sprayed particles at 1x10(6) frames/s. The system clearly captured deformation and cooling processes of an yttria-stabilized zirconia droplet of 50 mu m in diameter impinging at 170 m/s on a smooth quartz glass substrate kept at room temperature. The images show that the liquid sheet jetting out sideways from the droplet detached from the substrate and kept on spreading without disintegration until its maximum extent. While the sheet was spreading, the center region of the flattened droplet cooled down much more rapidly. (C) 2007 American Institute of Physics.
  • K. Arakawa; T. Mada; H. Komatsu; T. Shimizu; M. Satou; K. Takehara; G. Etoh
    EXPERIMENTAL MECHANICS 47 2 277 - 282 2007年04月 [査読有り]
     
    The oblique impact between a golf ball and a polymethyl methacrylate (PMMA) target with smooth transparent surfaces was studied using a high-speed video camera. Video images of the impact were recorded from the backside of the target and were used to determine the contact time, contact area, and the displacement and rotation of the ball along the target. The average tangential and angular velocities were determined as functions of the inbound ball velocity. As the inbound ball velocity increased, the contact area and average tangential and angular velocities also increased while the contact time decreased. An oiled PMMA target was used to study the effect of reduced friction between the ball and target. The results were compared with earlier data for a steel target with relatively rough surfaces. The contact area and time were unaffected by friction, but the average tangential velocity increased while the average angular velocity decreased as the friction decreased.
  • S. T. Thoroddsen; T. G. Etoh; K. Takehara
    PHYSICS OF FLUIDS 19 4 pp.042101-1 ~042101-29  2007年04月 [査読有り]
     
    A bubble is slowly grown from a vertical nozzle until it becomes unstable and pinches off. We use ultra-high-speed video imaging, at frame-rates up to 1 million fps, to study the dynamics and shape of the pinch-off neck region. For bubbles in water (Bo similar or equal to 1.0) the radius of the neck reduces with a power law behavior R similar to t(alpha), over more than 2 decades, with an exponent in the range alpha=0.57 +/- 0.03, in good agreement with other available studies, but which is slightly larger than 1/2 predicted by Rayleigh-Plesset theory. The vertical curvature in the neck increases more slowly than the azimuthal curvature, making the neck profiles more slender as pinch-off is approached. Self-similar shapes are recovered by normalizing the axial coordinate by a separate length scale which follows a different power law, L-z similar to t(gamma), where gamma=0.49 +/- 0.03. Results for air, He, and SF6 gas are identical, suggesting that the gas density plays a minimal role in the dynamics. The pinch-off in water leaves behind a tiny satellite bubble, around 5 mu m in diameter and the flow-field inside the liquid is shown to be consistent with simple sink flow. The effects of liquid viscosity on the pinch-off speed and neck shapes, are also characterized. The speed starts to slow down at a viscosity of about 10 times that of water, which corresponds to Re-mu similar or equal to 2000. This also changes the power law, increasing the exponent to alpha similar or equal to 1 for viscosities above 70 cP (Re-mu similar or equal to 40). For surrounding liquid of viscosity above 10 cP, we observe just before pinch-off, that the neck is stretched into a thin filament of air, which then breaks into a stream of microbubbles. In some cases we observe a cascade of bubble sizes. While some of the details differ, our results are in overall agreement with those of Burton, Waldrep, and Taborek [Phys. Rev. Lett. 94, 184502 (2005)], except we do not observe the rupture of the air cylinder as it reduces to 50 mu m size. For water we observe a continuous necking down to the pixel-resolution of our optical system, which at the largest frame-rates is similar to 10 mu m. (c) 2007 American Inst of Phys.
  • An experimental study on flow field in and around rubble mound river structures
    K. Michioku; K. Takehara; G.T. Etoh
    Journal of Hydroscience and Hydraulic Engineering Vol. 25 No.2 37 - 45 2007年 [査読有り]
  • 杉原裕司; 山崎一孝; 津守博通; 松永信博; 竹原幸生
    海岸工学論文集 第53巻 481 - 485 Japan Society of Civil Engineers 2007年 [査読有り]
     
    Brick-pattern ripples are three-dimensional ripple marks composed of transverse crests and longitudinal bridges. In this study, the formation process of brick-pattern ripples in an oscillatory flow is investigated experimentally by means of the visualization of sediment transport and particle tracking velocimetry (PTV). The experiments are made for the brick-pattern ripple formation over a model of two-dimensional ripple marks. The velocity distributions above brick pattern ripples are obtained from the PTV measurements. It is seen from the experimental results that three-dimensional separation vortices carry sediment to make the bridges larger and more stable. Thus, the formation of brick-pattern ripples may be accelerated by a certain kind of positive feedback due to the interaction between the separation vortices and sediment transports.
  • 中條壮大; 重松孝昌; 辻本剛三; 竹原幸生
    海岸工学論文集 第53巻 801 - 805 Japan Society of Civil Engineers 2007年 
    The effect of Reynolds number on the properties of turbulence generated by a porous media was investigated by a hydraulic experiment. Velocity field inside and around the porous media was measured with a high resolution temporally and spatially using the Super-resolution KC method and a refractive index matching method. It is presented that some properties of turbulence can be normalized by a characteristic velocity and a diameter of the sphere which constitute the porous media.
  • T. G. Etoh; C. Vo Le; Y. Hashishin; N. Otsuka; K. Takehara; H. Ohtake; T. Hayashida; H. Maruyama
    Plasma and Fusion Research Vol.2 pp.S1021-1-8. - S1021 The Japan Society of Plasma Science and Nuclear Fusion Research 2007年 [査読有り]
     
    This paper reviews the high-speed video cameras developed by the authors. A video camera operating at 4,500 frames per second (fps) was developed in 1991. The partial and parallel readout scheme combined with fully digital memory with overwriting function enabled the world fastest imaging at the time. The basic configuration of the camera later became a de facto standard of high-speed video cameras. A video camera mounting an innovative image sensor achieved 1,000,000 fps in 2001. In-situ storage with more than 100 CCD memory elements is installed in each pixel of the sensor, which is capable of recording image signals in all pixels in parallel. Therefore, the sensor was named ISIS, the in-situ storage image sensor. The ultimate parallel recording operation promises the theoretical maximum frame rate. A sequence of more than one hundred consecutive images reproduces a smoothly moving image at 10 fps for more than 10 seconds. Currently, an image sensor with ultrahigh sensitivity is being developed in addition to the ultra-high frame rate, named PC-ISIS, the photon-counting ISIS, for microscopic biological observation. Some other technologies supporting the ultra-high-speed imaging developed are also presented.
  • Nao Otsuka; Vo Le Cuong; Pavel Karimov; Kohsei Takehara; T. Goji Etoh
    Videometrics IX 6491 49111 - 49111 2007年 [査読有り]
     
    This paper outlines a special microscope under development, named "Ultra-high-speed bionanoscope" for ultra-highspeed imaging in biological applications, and preliminary design of the image sensor, which is the key component in the system. The ultra-high-speed bionanoscope consists of two major subsystems: a video camera operating at more than 10 Mfps with ultra-high-sensitivity and the special microscope to minimize loss of light for seriously reduced illumination light energy due to the ultra-high-speed imaging. The ultra-high-frame rate is achieved by introducing a special structure of a CCD imager, the ISIS, In-situ Storage Image Sensor, invented by Etoh and Mutoh. The ISIS has an array of pixels each of which equips with a slanted linear CCD storage area for more than 100 image signals for reproduction of smoothly moving images. The ultra-high-sensitivity of the sensor of less than 10 photons is achieved by introducing three existing technologies, backside-illumination, cooling, and the CCM, Charge Carrier Multiplication invented by Hynecek.
  • K. Arakawa; T. Mada; H. Komatsu; T. Shimizu; M. Satou; K. Takehara; G. Etoh
    EXPERIMENTAL MECHANICS 46 6 691 - 697 2006年12月 [査読有り]
     
    The oblique impact between a golf ball and a rigid steel target was studied using a high-speed video camera. Video images recorded before and after the impact were used to determine the inbound velocity vi, rebound velocity nu(r), inbound angle theta(i), rebound angle theta(r), and the coefficient of restitution e. The results showed that theta(r) and e decreased as nu(i) increased. The maximum compression ratio eta(c), contact time t(c), average angular velocity (omega) over bar, and tangential velocity (nu) over bar (t), along the target were determined from images obtained during the impact. The images demonstrated that eta(c) increased with nu(i) while t(c) decreased. In addition, (omega) over bar and (omega) over bar (t) increased almost linearly as nu(i) increased. A rigid body model was used to estimate the final angular velocity omega* and tangential velocity nu(t)* at the end of the impact; these results were then compared with experimental data.
  • S. T. Thoroddsen; T. G. Etoh; K. Takehara
    PHYSICS OF FLUIDS 18 9 p.091110  2006年09月 [査読有り]
  • 平井 康介; 竹原 幸生; 髙野 保英; 大薗 政志; 出口; 恭; 椿 涼太; 藤田 一郎; 武藤 裕則; 神田 佳一
    可視化情報学会誌 26 2 35 - 38 可視化情報学会 2006年09月 
    The confluence region downstream of the Katsura River, the Kizu River and the Uji River in Kyoto displays complicated flow patterns depending on which watershed undergoes larger precipitations. The flow characteristics at this location have not been clarified so far due to the complexity of the combining streams. In the present study, in order to obtain the flow features in normal flow conditions, surface flow measurement by using a helicopter is performed. The surface flow is visualized by biodegradable tracers and they are videotaped from a helicopter hovering at about 300 meter height following the cloud of tracers. A high-vision video camera is used for recording the images and the velocity of the tracers are analyzed by applying PIV with subtracting background movement. At the same time, distributions of temperature, pH, and other parameters related to water quality are measured by multi-purpose instrument installed on a boat. It was found that water quality of the Ktsura River is quite different from the other rivers and the longitudinal dispersion of tracers is evident at the location.
  • Yasunori Watanabe; Yoshiyasu Hideshima; Takaaki Shigematsu; Kohsei Takehara
    Measurement Science and Technology 17 6 1456 - 1469 2006年06月 [査読有り]
     
    A new technique of three-dimensional hybrid stereoscopic particle image velocimetry (3D hybrid SPIV) for measuring a volumetric spatial distribution of three-dimensional velocity is presented in this paper. The accuracy and uncertainty of this technique are examined by numerical tests. The 3D hybrid SPIV has been found to be able to measure major features of velocity field involving a vortex with turbulence in a shear flow. This technique is used for measuring an instantaneous three-dimensional flow structure under breaking waves. The formation of the three-dimensional vortex structures involving roller and longitudinal vortices in breaking waves is investigated in this study. © 2006 IOP Publishing Ltd.
  • S. T. Thoroddsen; T. G. Etoh; K. Takehara
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 557 63 - 72 2006年06月 [査読有り]
     
    We present experimental observations of hole formation in ejecta crowns, when a viscous drop impacts onto a thin film of low-viscosity liquid with significantly lower surface tension than the drop liquid. The holes are promoted by Marangoni-driven flows in the sheet, resulting from a spray of fine droplets ejected from the thin film hitting the inner side of the crown. The puncturing of the sheet takes place in three distinct steps. First a circular patch of the sheet thins by Marangoni-driven flows. Then this thinner film ruptures and a hole quickly opens up spanning the patch. Finally, the hole opens up further at an accelerated rate, driven by the unbalanced surface tension at its edge. The holes grow until they meet adjacent holes, thus leaving a foam-like network of liquid filaments, which then breaks up into a cloud of droplets.
  • 馬田 俊雄; 小松 治男; 清水 哲雄; 佐藤 正矩; 竹原 幸生; 江藤 剛治; 新川 和夫
    材料力学部門講演会講演論文集 2006 447 - 448 一般社団法人日本機械学会 2006年
  • 新川 和夫; 馬田 俊雄; 小松 治男; 清水 哲雄; 佐藤 正矩; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    年次大会講演論文集 2006 869 - 870 一般社団法人日本機械学会 2006年 
    The normal impact between a golf ball and a rigid steel target was studied using a high-speed video camera. Video images recorded before and after impact were used to determine the inbound and rebound ball velocities. The images during impact were also employed to analyze the deformation of the ball. Displacement at the center of the ball was measured during impact to determine the instantaneous ball velocity and acceleration. Reaction force was evaluated by the product between the mass and acceleration of the ball. It was found that the force increased linearly with the inbound velocity.
  • 竹原 幸生; THORODDSEN Sigudur T.; 江藤 剛治
    可視化情報学会誌 26 2 215 - 218 The Visualization Society of Japan 2006年 
    When a viscous drop impacts onto a thin film of ethanol on a solid surface, a lot of hole formations can be observed on the eject crown. The holes are caused by the Marangoni instabilities, which occur at a point where ethanol droplets contact at crown wall of viscous drop. The high-speed video camera, of which frame rate is a million frames per second, is employed for detailed observations.
  • 大島 賢吾; 金岡 正信; 水谷 夏樹; 竹原 幸生; 玉野 富雄
    可視化情報学会誌 26 2 207 - 210 The Visualization Society of Japan 2006年 
    The purpose of this research is to explore the mechanism required for the generation of earthquake vibration on the propagation velocity of the crack in fault plane. In this research, the impact splitting tensile tests of mortar and granite were carried out, and the propagation velocity of the crack was visualized and obtained by image analysis using ultra high-speed video camera. A relationship between the impulse which is impact loading and propagation velocity of the crack was observed. There appears to be a critical state in which propagation velocity does not increase, even if impulse is increased over it. It was proven to converge in 2.6 km/sec. Next, the mechanism of the development of the dynamics of the crack by the impulse was examined from displacement vector and Particle Image Velocimetry (PIV) analysis.
  • 久末信幸; 竹原幸生
    水工学論文集 第50巻 883 - 888 Japan Society of Civil Engineers 2006年 
    The electric power industries have been working on development of natural energy sources such as wind, solar, small-scale hydro-electric and biomass energy in order to reduce loads on the environment. The development of small-scale hydro-electric facilities involves making use of small elevation differences available at various sites. This means that the water depth of the reservoir relative to the generator can be shallow and may induce intake vortices causing adverse effects on the generator performance by the air hammer phenomenon of the entrained air. Since the conventional method of evaluation by counting the frequency of occurrence of vortex is not adequate, the measurement method PTV (Particle Tracking Velocimetry) has been applied to obtain detailed flow features in the intake bay with the vortex-preventing devices. From experimental investigations, it can be concluded that the structure near the free surface effectively reduce the flow speed near the surface and work effectively to suppress of the intake vortex.
  • 竹原幸生; 久末信幸; 江藤剛治; 高野保英
    水工学論文集 第50巻 715 - 720 公益社団法人 土木学会 2006年 
    A Particle Tracking Velocimetry is applied to surface and internal flow measurements in an actual river model. New techniques are proposed for the flow measurements. In the measurements of surface flows, two CCD video cameras, which are exactly synchronized, are used in order to measure detailed flow vectors in a wide area. In this experiment, one CCD camera captures wider area for understanding global flow patterns. The other camera focuses on local area where flow geometry is complicated. In addition to the surface flow measurement techniques, an internal flow measurement technique is also proposed by using a bore lens system. The proposed techniques are applied to an experiment, in which an actual river model is used. The results show reasonable velocity distributions compared with the results of standard point measurements.
  • ST Thoroddsen; TG Etoh; K Takehara; N Ootsuka; A Hatsuki
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 545 203 - 212 2005年12月 
    We present experimental observations of the disk of air caught under a drop impacting onto a solid surface. By imaging the impact through an acrylic plate with an ultra-high-speed video camera, we can follow the evolution of the air disk as it contracts into a bubble under the centre of the drop. The initial size and contraction speed of the disk were measured for a range of impact Weber and Reynolds numbers. The size of the initial disk is related to the bottom curvature of the drop at the initial contact, as measured in free-fall. The initial contact often leaves behind a ring of micro-bubbles, marking its location. The air disk contracts at a speed comparable to the corresponding air disks caught under a drop impacting onto a liquid surface. This speed also seems independent of the wettability of the liquid, which only affects the azimuthal shape of the contact line. For some impact conditions, the dynamics of the contraction leaves a small droplet at the centre of the bubble. This arises from a capillary wave propagating from the edges of the contracting disk towards the centre. As the wave converges its amplitude grows until it touches the solid substrate, thereby pinching off the micro-droplet at the plate, in the centre of the bubble. The effect of increasing liquid viscosity is to slow down the contraction speed and to produce a more irregular contact line leaving more micro-bubbles along the initial ring.
  • ST Thoroddsen; TG Etoh; K Takehara; N Ootsuka
    PHYSICS OF FLUIDS 17 7 2005年07月 
    Two bubbles brought into contact will coalesce rapidly. We study experimentally the initial coalescence motions in the neck region connecting the two bubbles, using an ultrahigh-speed video camera. The air bubbles are grown in ethyl alcohol, at the ends of two opposing vertical needles, until they come into contact. The growth rate of the neck is measured and modeled with a capillary/inertial balance. The instantaneous profile in the neck forms a circular arc, with the ratio of the two principal radii of curvatures increasing linearly in time. (c) 2005 American Institute of Physics.
  • ST Thoroddsen; K Takehara; TG Etoh; Y Hatsuki
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 530 295 - 304 2005年05月 
    We present experiments, using an ultra-high-speed video camera, which indicate flow-induced buckling of a surfactant layer on the free surface of a deforming water drop. This results in the 'puncturing' of the liquid surface, sending out a narrow jet. The phenomenon is produced when a water drop falls onto and passes through a hemispherical soap film. The soap film wraps around the drop forming a closed pocket, with a thin layer of air separating the two. This occurs without initial contact between the soap film and the drop liquid, which becomes clear during the subsequent dynamics, as the original film unwraps fully from the drop surface. Under particular conditions the soap film makes contact with the top of the drop, producing a toroidal bubble, which is driven down the drop to form a hemisphere at its bottom. We propose that the resulting rapid reduction in surface area of the bubble leads to overpacking of the surfactant molecules and buckling of the surface, which allows the jet to emerge, from the bottom tip of the drop. Marangoni-driven boundary layers, converging at the bottom, may also play a role in forcing out the jet.
  • ST Thoroddsen; K Takehara; TG Etoh
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 527 85 - 114 2005年03月 
    When two liquid drops come into contact, they coalesce rapidly, owing to the large curvature and unbalanced surface-tension forces in the neck region. We use an ultra-high-speed video camera to study the coalescence of a pendent and a sessile drop, over a range of drop sizes and liquid viscosities. For low viscosity, the outward motion of the liquid contact region is successfully described by a dynamic capillary-inertial model based on the local vertical spacing between the two drop surfaces. This model applies even when the drops are of different sizes. Increasing viscosity slows down the coalescence when the Reynolds number Re-v = rho R(ave)sigma/mu(2) < 5000, where R-ave is the average of the tip radii of the two similar size drops, rho is the liquid density, sigma is the surface tension and mu the dynamic viscosity. At Re-v similar or equal to 50, the growth-rate of the neck radius has reduced by a half, which for water corresponds to a drop diameter of only 2 mu m. For the largest viscosities, the neck region initially grows in size at a constant velocity. The neck curvature also becomes progressively sharper with increasing viscosity. The results are compared to previously predicted power laws, finding slight, but significant deviations from the predicted exponents. These deviations are most probably caused by the finite initial contact radius.
  • 馬田 俊雄; 小松 治男; 佐藤 正矩; 清水 哲雄; 竹原 幸生; 江藤 剛治; 新川 和夫
    年次大会講演論文集 2005 337 - 338 一般社団法人日本機械学会 2005年
  • 藤田 一郎; 平井 康介; 椿 涼太; 武藤 裕則; 竹原 幸生; 神田 佳一
    可視化情報学会誌 25 2 23 - 26 The Visualization Society of Japan 2005年 
    Field measurements using an image analysis technique, the large-scale particle image velocimetry (LSPIV), are conducted for a river reach having a series of groins in the Uji River. The measurements are performed using a digital video camera from a height of 27m of the nearby tower for meteorological survey. The river reach with a streamwise length of about 150m and the width of about 60m is cover by three-angle recordings. The measurement results from each angle are successfully connected with each other, by which the general flow feature of the region can be revealed with a reasonable accuracy. The measurement by an ADCP is also performed to obtain the internal three-dimensional flow structure. In addition, a numerical simulation based on the unstructured grid system of the shallow water equation is conducted to compare with the field measurement results and to evaluate the effect of the groins to the main flow.
  • N Ootsuka; TG Etoh; K Takehara; S Oki; Y Takano; Y Hatsuki; S Thoroddsen
    26th International Congress on High Speed Photography and Photonics 5580 153 - 162 2005年 
    In 2001, an ultra-high-speed video camera of 1,000,000 frames per second was developed in Hydraulics Laboratory of Kinki University. The image sensor of the camera was the ISIS-V2, the In-situ Storage Image Sensor-Version 2. The camera has been applied to visualization of high-speed phenomena in various fields of science and engineering. We observed entrapment phenomena of bubbles resulting from thermal spraying of metals. Thermal spraying is used to improve solid surfaces by spraying melted metal or ceramic particles to the surfaces. One of the problems relating to the thermal spraying is entrapment of air bubbles under the metal or ceramic layers covering the solid surfaces. The bubbles decrease bonding strength of the layers made by the thermal spraying. The entrapment processes were successfully visualized by application of the ultra-high-speed video camera.
  • 辻本剛三; 竹原幸生; 柿木哲哉; 西畠泰司; 平井登
    海洋開発論文集 21 689 - 694 Japan Society of Civil Engineers 2005年 [査読有り]
     
    The hydraulic characteristics of a block with perforations are studied experimentally and theoretically. The present paper is threefold: a field test to examinethe stability of block and the growth of seaweed; an experimental study to measure a reflection coefficient, a transmission coefficient and a rate of wave energy dissipation; and a numerical simulation to examine the flow field over the mound with blocks by employing the κ-ε turbulence model which has considered the perforations of blocks.
    It was found through the field test that the stability of prototype models was extremely high and many kinds of seaweed have been adhering to blocks. The number of stability could be calculated with a ratioof submerged depth of crown and a wave height. Also wave energy dissipation could be promoted over blocks. The agreement between experimental data and the calculated values by the numerical simulation for the transmission coefficient and wave profiles over the blocks is found to be good.
  • 新井和夫; 馬田俊雄; 小松治男; 清水哲雄; 佐藤正矩; 竹原幸生; 江藤剛治
    実験力学 5 4 356 - 360 日本実験力学会 2005年
  • 道奥康治; 竹原幸生; 江藤剛治; 高橋亮介; 南條雅志
    土木学会論文集 803 105 - 114 公益社団法人 土木学会 2005年 
    捨石・木材・異形ブロックなどで構築された透過型構造物の環境機能を評価するためには, 多孔体内部の流れや乱れが水質・生態系などにおよぼす影響を明らかにする必要がある. 本研究では, 屈折率整合技術を用いて透過型構造物の内部・周辺の流れを画像計測し, 流れと乱れの構造特性を検討した. PIVにより粒径や間隙配置などの多孔体構造が流れ・乱れにおよぼす影響, 「構造物間隙―周囲流体」間の質量・運動量交換特性などが明らかにされた. 本研究で得られた知見は, 流体力など構造設計に必要な情報であると同時に, 透過型構造物による曝気促進や礫間浄化能力, 生息空間としての間隙の役割など透過型構造物の自然環境機能を評価する上で有用である.
  • 江藤剛治; 竹原幸生; 高野保英; 奥野訓史; 藤田一郎; 酒井信行
    土木学会論文集 796 39 - 52 公益社団法人 土木学会 2005年 
    本研究はローカル・リモートセンシングによる河川・湖沼・沿岸等の流れ場の精密な画像計測技術の開発を目的としている. 淀川三川合流部の宇治川で試験計測を行った. 国土交通省のヘリコプター「きんき号」を用いて上空300mからビデオカメラで水面を撮影した. トレーサーとして直径15cmの多数の煎餅を撒いた. それにより表面流速分布を求め, ボートに積んだ超音波流速計による計測結果と比較することにより, 実用上の多くの問題点が明らかになった. 例えば, コンピューターによる自動解析では, さざ波に対する光の反射とトレーサー粒子を分別することができなかった. これらの課題に対する解決法を検討した.
  • K Takehara; N Ohtsuka; TG Etoh; Y Takano; G Tsujimoto; N Mizutani
    Coastal Engineering 2004, Vols 1-4 1060 - 1071 2005年 
    In order to clarify the mechanisms of wind waves, the air and water flows close to the water surface were simultaneously measured by using the Image Velocimetry, the IV. In this study, a Particle Tracking Velocimetry, so-called PTV, was used as IV, which can measure the velocity vectors in the vicinity of the water surface. The experiments were carried out in the range where whitecaps cannot appear. From the measured planar velocity distributions, the instantaneous vorticity distributions in air and water were evaluated.
  • 沖中 知雄; 江藤 剛治; 竹原 幸生; 近藤 泰志; 丸野 浩昌; 征矢 秀樹
    可視化情報学会論文集合本 = Transactions of the Visualization Society of Japan 24 1 1 - 8 社団法人 可視化情報学会 2004年07月 
    超高速デジタル式ビデオカメラを3板化するために必要なポスト・デジタル画像補正手法を開発した. 実験室レベルで3台の単板式ISISカメラを組合せ, 3板式ISISカメラとして使用することを目標とする. これにより, カメラを複数台使用しての計測と3板式カメラを使用しての計測の双方が実現でき, 計測の応用範囲が大きく広がることが期待できる. 3板式カメラとして撮像素子組合せる際, 各撮像素子間の位置, 感度のずれが問題となり, 補正を施す必要がある.
    本研究では, カメラの組立て後に, ポスト・デジタル処理によりこれらの補正を行うことを試みた. ガウス粒子を用いた高精度粒子検出手法と粒子の検出に適した標準試験板を開発し, この標準試験板の撮影画像のみから, 各撮像素子間の位置と感度を補正する手法を開発した. 提案された手法をカラー静止画像, 毎秒12.5万枚で撮影されたカラー動画の撮影に適用し, 補正手法の妥当性を示した.
  • 藤田 一郎; 川谷 健; 椿 涼太; 冨尾 恒一; 武藤 裕則; 竹原 幸生; 高野 保栄; 神田 佳一
    神戸大学都市安全研究センター研究報告 8 219 - 225 神戸大学都市安全研究センター 2004年03月
  • 玉井 昌宏; 竹原 幸生; 江藤 剛治; 酒井 信行
    水工学論文集 48 415 - 420 公益社団法人 土木学会 2004年 
    Yodo river park, the first government-managed river park in Japan, has annual visitors of about 5 million and has become one of the most important parks in Osaka and its neighboring prefectures. The park also plays a role to protect or preserve natural river environment and is composed of four types ofareas according to purposes. The actural condition of various functions and utilization of the park has never been investigated sufficiently since the park was open to the public. The purpose of this study is to evaluate the utilization of the park economically using a questionnaire survey result and visitors number data by the park administrator. A relation between characteristics of the areas and the benefit of the utilization is investigated. Annual benefit of the park is over 2.7 billion yen.
  • 東藤 貢; 新川 和夫; 馬田 俊雄; 田中 麻美; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    材料力学部門講演会講演論文集 2004 585 - 586 一般社団法人日本機械学会 2004年
  • 重松孝昌; 塩足純一; 竹原幸生; 辻本剛三
    海岸工学論文集 第51巻 661 - 665 Japan Society of Civil Engineers 2004年 
    固液混相流場における乱流特性を明らかにするための基礎的実験として, 一方向流中に設置された多孔質体の間隙部およびその近傍の流速を, 屈折率整合法およびSuper-Resolution PIV法を用いて計測した. レイノルズ数を3通りに変えて行った実験から得られたデータをもとに, 渦度, 乱れの運動エネルギー, 乱れエネルギーの散逸率などを求め, 流れが多孔質体を通過して下流域に流出する間のこれらの生成・減衰機構について考察した. その結果, 無次元化された乱れの運動エネルギーの生成・減衰過程は, レイノルズ数に依存しない形で表されることが明らかになった.
  • 出口一郎; 荒木進歩; 竹田怜史; 吉井匠; 大利桂子; 竹原幸生
    海岸工学論文集 第51巻 136 - 140 2004年
  • ST Thoroddsen; TG Etoh; K Takehara; Y Takano
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 499 139 - 148 2004年01月 
    We use a novel ultra-high-speed video camera to study the initial stage of the impact of a solid sphere onto a liquid surface, finding a high-speed horizontal jet which emerges immediately following the intial contact. For Re > 2 x 10(4) the jet emerges when the horizontal contact between the sphere and the liquid is only 12% of its diameter. For the largest Reynolds numbers this Jet can travel at more than 30 times the impact velocity of the sphere. This Jetting occurs sooner and at much higher normalized velocities than has been observed previously. The breakup of the jet into a spray of droplets sometimes occurs through formation of pockets in the liquid sheet. Early in the impact, the energy transferred to the jet and the subsequent spray sheet is estimated to be much larger than the energy associated with the added mass inside the liquid pool. The jetting will therefore greatly increase the initial impact force on the sphere.
  • 竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英; 大塚 直; 辻本 剛三; 水谷 夏樹
    海岸工学論文集 50 96 - 100 Japan Society of Civil Engineers 2003年11月 [査読有り]
     
    水表面での気体輸送現象に大きく関係する，水表面極近傍の気流・水流の同時計測した．
  • 南條 雅志; 道奥 康治; 竹原 幸生; 江藤 剛治; 花谷 清明
    可視化情報学会誌. Suppl. 23 1 111 - 114 The Visualization Society of Japan 2003年07月 
    Recently, permeable river structures such as a rubble mound weir attract attention from an environmental point of view. A permeable structure minimizes negative impact on natural environment compared to conventional solid structures made of concrete and steel. This type of weir purifies water through aeration as well as provides passage of aquatic lives in the longitudinal direction. In order to evaluate these environmental functions, it is necessary to analyze internal flow in the structure.
    In this study, flow fields in a rubble-mound weir were visualized by adjusting refractive index between solid-fluid phases. The flow velocity and turbulence are measured from image analysis, and the flow properties inside rubble-mound was analyzed. The present research will be useful in making hydraulic design of a permeable rubble mound.
  • 100 万枚／秒のビデオカメラによる水表面現象の可視化
    竹原 幸生; 江藤 剛治; S. T. Thoroddsen
    The REE 5 39 - 45 Societ del I’Electricite, de L’Electronique（SEE） 2003年05月 
    種々の水表面での現象を100 万枚／秒のビデオカメラで詳細に観察した。
  • 竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英; 大塚直; 水谷夏樹; 辻本剛三
    海岸工学論文集 50 86 - 91 .土木学会 2003年05月 [査読有り]
     
    風波によるマイクロブレーキング現象の空間構造を解明するため、3 台のCCD カメラを用いて、広範囲かつ高解像度のPTV 計測を行った。波動場全体を把握した上で、水表面極近傍の詳細な計測結果が得られた。
  • ST Thoroddsen; TG Etoh; K Takehara
    JOURNAL OF FLUID MECHANICS 478 125 - 134 2003年03月 
    When a drop impacts on a liquid surface it entraps a small amount of air under its centre as the two liquid surfaces meet. The contact occurs along a ring enclosing a thin disk of air. We use the next-generation ultra-high-speed video camera, capable of 1 million f.p.s. (Etoh et al. 2002), to study the dynamics of this air sheet as it contracts due to surface tension, to form a bubble or, more frequently, splits into two bubbles. During the contraction of the air disk an azimuthal undulation, resembling a pearl necklace, develops along its edge. The contraction speed of the sheet is accurately described by a balance between inertia and surface tension. The average initial thickness of the air sheet decreases with higher impact Reynolds numbers, becoming less than one micron. The total volume of air entrapped depends strongly on the bottom curvature of the drop at impact. A sheet of micro-bubbles is often observed along the original interface. Oguz-Prosperetti bubble rings are also observed. For low Weber numbers (We < 20) a variety of other entrapment phenomena appear.
  • 重松孝昌; 竹原 幸生; 塩足純一; 小田一
    水工学論文集 46 787 - 792 土木学会 2003年02月 [査読有り]
     
    多孔体中の流れを高速ビデオカメラにより計測し，画像計測により明らかにした。
  • 馬田 俊雄; 小松 治男; 佐藤 正矩; 清水 哲雄; 竹原 幸生; 江藤 剛治; 新川 和夫
    材料力学部門講演会講演論文集 2003 841 - 842 一般社団法人日本機械学会 2003年
  • 江藤 剛治; Thoroddsen Sigurdur T.; 竹原 幸生
    年次大会講演論文集 2003 295 - 296 一般社団法人日本機械学会 2003年 
    A newly developed 1M fps video camera was applied to the observation of drop impacts onto water surfaces. It captured the detailed mechanism of air sheet entrapment when a water drop is impacting onto water surfaces. Instability is newly found on the edge of the entrapped air sheet. The 100 consecutive images are enough to form a short movie, which is suitable for dynamic recognition
  • 竹原 幸生; S. Devasenathipathy; G. Santiago
    Experiments in Fluids 34 4 504 - 514 Springer-Verlag 2003年 [査読有り]
     
    マイクロ流体装置内の流れを画像計測するための技術を開発した。
  • 竹原 幸生; 江藤 剛治; S. T. Thoroddsen
    SPIE Vol. 4948 平成14 年9 月に行われた25th International Congress on High-Speed Photography and Photonics のselected papers の論文集 4948 63 - 70 SPIE-The International Society for Optical Engineering 2003年 
    100 万枚／秒のビデオカメラを用いて水表面に水滴が落下する時の諸現象が可視化した。それによって水表面に水滴が当たる瞬間の自然現象のメカニズムが解明された。
  • 上村松生; 中川原千早; 河村幸男; 吉田静夫; 江藤剛治; 竹原幸生
    低温生物工学会誌 48 2 135 - 138 低温生物工学会 2002年12月 [査読有り]
     
    Normal-speed (32 frames/sec) and high-speed (up to 4,000 frames/sec) video cameras attached with a cryomicroscope were utilized to analyze the freezing process of protoplasts isolated from Arabidopsis leaves and Jerusalem artichoke tubers. With protoplasts isolated from leaves of non-acclimated Arabidopsis seedlings, intracellular freezing was observed even when protoplasts were frozen to -10℃ at rates of 0.5 to 1.0℃/min, and the frequency increased significantly at 2.5 to 10℃/min. After cold acclimation for 1 day at 2℃, the intracellular freezing did not occur at cooling rates of 1.0℃ or slower. Cold acclimation for 2 to 7 days further resulted in a shift of the temperature range over which intracellular freezing occurred to lower temperatures. High-speed video microscopy revealed that intracellular freezing was initiated, with no exceptions, at places near the plasma membrane. However, it was not possible with techniques used in the present study to determine whether ice formation initially occurs inside or outside the cell. Nevertheless, these studies demonstrate that videomicroscopy combined with cryostage provides an insight to understand the effect of cold acclimation on the freezing process of plant protoplasts.
  • Applications of a 1M ftp video camera to water surface phenomena[Invited Lecture]
    竹原 幸生; 江藤 剛治; S. T. Thoroddsen
    Proc. of 25th International Congress on High-Speed Photography and Photonics 4948 60 - 70 2002年12月 
    近畿大学で開発した１００万枚／秒の高速ビデオカメラを用いて，水表面近傍の現象を可視化した例を紹介した。
  • S Devasenathipathy; JG Santiago; K Takehara
    ANALYTICAL CHEMISTRY 74 15 3704 - 3713 2002年08月 
    We have applied particle tracking techniques to obtain spatially resolved velocity measurements in electrokinetic flow devices. Both micrometer-resolution particle image velocimetry (micro-PIV) and particle tracking velocimetry (PTV) techniques have been used to quantify and study flow phenomena in electrokinetic systems applicable to microfluidic bioanalytical devices. To make the flow measurements quantitative, we performed a series of seed particle calibration experiments. First, we measure the electroosmotic wall mobility of a borosilicate rectangular capillary (40 by 400 mum) using current monitoring. In addition to this wall mobility characterization, we apply PTV to determine the electrophoretic mobilities of more than 1000 fluorescent microsphere particles in aqueous buffer solutions. Particles from this calibrated particle/ buffer mixture are then introduced into two electrokinetic flow systems for particle tracking flow experiments. In these experiments, we use micro-PIV, together with an electric field prediction, to obtain electroosmotic flow bulk fluid velocity measurements. The first example flow system is a microchannel intersection where we demonstrate a detailed documentation of the similitude between the electrical fields and the velocity fields in an electrokinetic system with uniform zeta potential,. In the second system, we apply micro-PIV to a microchannel system with nonuniform. The latter experiment provides a simultaneous measurement of two distinct wall mobilities within the microchannel.
  • 高野 保英; 田中 健司; 重松 孝昌; 江藤 剛冶; 竹原 幸生
    可視化情報学会誌 = Journal of the Visualization Society of Japan 22 197 - 200 The Visualization Society of Japan 2002年07月 
    Visualization of water flow around structures or in porous media requires refractivity matching of water and the transparent solid materials. The authors have developed two methods to make transparent spheres from silicon rubber; the stirring method and the casting method. Visualization experiments of water flow around a sphere coming up to the surface and in a porous medium were performed to examine the validity of the refractivity matching method. Velocity vectors of these flows were obtained from recorded particle images by a PTV algorithm, while was also developed by the authors.
  • 江藤 剛冶; 竹原 幸生; 奥野 訓史; 高野 保英
    可視化情報学会誌 = Journal of the Visualization Society of Japan 22 357 - 360 The Visualization Society of Japan 2002年07月 
    The Infrared PTV (Particle Tracking Velocimetry) is proposed for applications to measurements of surface velocity fields of local water bodies, such as rivers, lakes, ponds, estuaries and coastal areas. The tracers are either ice particles or soaked and frozen flat edible cakes. The cameras are infrared sensitive. PTV algorisms can be applied to the infrared particle images. The system can measure detailed surface velocity fields of floods even in the darkness. No or negligible pollutant is supplied respectively by the ice particles or the flat cakes.
  • 山田 浩之; 辻本 剛三; 日下部 重幸; 竹原 幸生
    可視化情報学会誌 = Journal of the Visualization Society of Japan 22 375 - 378 The Visualization Society of Japan 2002年07月 
    A flow field in the man-made embayment of three types was examined by using a PIV technique. the pattern of a circulation flow inside the embayment changes with positions of an opening. Although the speed of a flow inside the embayment was late as compared with that of main flow, its intensity of turbulent kinematics energy was remarkably large. The profile of a circulation flow has not become clear gradually from the water surface to the bottom. This fact means that the flow field in here has a characteristic of three dimension. Send has accumulated on the central part mostly in the embayment, and these flow have contributed to formation of three dimensional bottom profiles.
  • 竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英
    日本流体力学会年会2002講演論文集 2002 208 - 209 日本流体力学会 2002年07月 
    表面張力波を用いた表面張力計測法を提案した。
  • 江藤 剛治; 武藤 秀樹; 竹原 幸生; 沖中 知雄; 高野 保英
    映像情報メディア学会技術報告 26 26 27 - 33 一般社団法人映像情報メディア学会 2002年03月 
    各画素がそれぞれ103個のCCD型メモリーと連続上書きのためのドレーンを持つ、画素周辺記録型撮像素子(ISIS: In-situ Storage Image Sensor)を開発した。これにより100万枚/秒の超高速連続撮影と動画再生を実現した。1画素という限られた空間の中に多数のメモリーを組み入れ、かっ高感度低ノイズを達成するために、非常に単純な素子構造を考案した。本報告ではこの素子の概要を説明するとともに、より以上の高性能を達成するための素子である斜め積層型撮像素子(Shingle Sensor)の構造を提案する。
  • 江藤 剛治; 武藤 秀樹; 竹原 幸生; 高野 保英; 沖中 知雄
    映像情報メディア学会誌 : 映像情報メディア = The journal of the Institute of Image Information and Television Engineers 56 3 483 - 486 一般社団法人映像情報メディア学会 2002年03月 
    撮影速度100万枚/秒のビデオカメラ用撮像素子を開発した.撮影中は全画素並列で一斉に各画素の周辺に組入れられた記録領域に画像情報を蓄積するので究極の高速化が可能である。このような素子を画素周辺記録型撮像素子 (ISIS : In-situ Storage Image Sensor) と呼ぶ.開発した素子の記録要素は少し斜めに置かれた通常の直線CCDで, 非常に単純な構造である.ドレーンも組入れられており, 103枚の連続上書き撮影が可能である.試験撮影により高感度, 高画質であることも確かめられた.
  • 重松 孝昌; 渡部 靖憲; 竹原 幸生; 奥村 悠樹; 小池 敏也
    海岸工学論文集 49, 806-810 49 806 - 810 公益社団法人 土木学会 2002年 
    従来, 測定が困難であった多孔質構造物間隙内の三次元流体運動を計測するシステムの構築を行っている. 構造物と流体の屈折率を調整することにより, 物体背後の構造物および流体を視認することができ, さらに, 拡張型三次元ステレオグラムPTV流速計測システムを用いることにより, 間隙内流体運動の計測が可能になっている. 新たに中立粒子の開発も行っている. 構築したシステムを用いて, 波動場におけるテトラポッド潜堤の間隙流体運動の計測を行い, 三次元流速分布および乱れエネルギーの空間分布について考察している.
  • 竹原 幸生; 真木 正弘; 辻本 剛三; 江藤 剛治; 高野 保英
    海洋工学論文集 49, 66-70 66 - 70 Japan Society of Civil Engineers 2002年 
    大気-海洋間の物質, 熱および各種物質の輸送現象を明らかにするには, 水表面近傍の気相および水相の詳細な流れ構造を明らかにする必要がある.画像流速測定法 (Image Velocimetry, IV) の中で最も空間解像力の高い粒子追跡速度計測法 (Particle Tracking Velocimetry, PTV) を用いた, 風波発生時の水表面極近傍の気流・水流の同時計測法を開発した.開発した手法を用いて, これまで計測されていない風波発生時における水表面近傍の気流および水流のPTV同時計測に成功し, 水表面近傍の流れ構造を詳細に計測することができた.
  • 鍋坂 誠志; 江藤 剛治; 竹原 幸生
    土木学会論文集 705 705 19 - 29 土木学会 2002年
  • 近藤 泰志; 江藤 剛治; 竹原 幸生; 高野 保英; 丸野 浩昌; 田窪 健二; 征矢 秀樹
    映像情報メディア学会年次大会講演予稿集 2001 338 - 338 一般社団法人映像情報メディア学会 2001年 
    Development of High-Speed Video Camera that employ the ISIS, In-situ Storage Image Sensor, is reported. A test sensor of the ISIS successfully captured image at 1 million fps.
  • 竹原 幸生; 江藤 剛治; 斉藤 正弘; 桑名 亮
    可視化情報学会誌. Suppl. = Journal of the Visualization Society of Japan 19 2 185 - 186 The Visualization Society of Japan 1999年10月 
    The Particle Mask Fitting (PMF) method has been proposed to extract particle information properly from particle images. A method to evaluated initial values of parameters in PMF method is proposed. The simulation images are used for estimation of the parameters.
  • 江藤 剛治; 白須 敏成; 竹原 幸生
    可視化情報学会誌. Suppl. = Journal of the Visualization Society of Japan 19 1 251 - 254 The Visualization Society of Japan 1999年07月 
    PTV( Particle Tracking Velocimetry) is applied to images with moving particle images. Properties required for image sensors to analyze movements of scattered particles are discussed. Much higher frame rate than 30 pps is essential, which is realized by parallel readout architecture. Lower descretization level and image compression effectively work to keep both high frame rate and high spatial resolution (number of pixels) for a given number of readout lines. 1) The optimum descretization level for PTV is 4 to 6 bit: 2) Image compression schemes generate weak false particle images, which can be compensated by post-processing if the scheme is not complicated.
  • 岡本 孝司; 佐賀 徹雄; 竹原 幸生; 西尾 茂
    可視化情報学会誌 19 2 325 - 328 The Visualization Society of Japan 1999年 
    Particle Image Velocimetry (PIV) offers many advantages for the study of fluid flows. The PIV has two processes, i.e., the image capture with visualization and the image analysis. In order to evaluate the image analysis system for the PIV, the Japanese PIV Standard Project (JPIV) proposed the standard images for PIV. The developed PIV standard images are distributed using the Internet, (http://www.vsj.or. jp/piv/) and CD-R. Using the PIV standard images, the sub-pixel accuracy on the PIV and PTV were evaluated. The accuracy was confirmed to be about 0.2 pixel/interval for both of PIV and PTV.
  • T Etoh; H Mutoh; K Takehara; T Okinaka
    HIGH-SPEED IMAGING AND SEQUENCE ANALYSIS 3642 127 - 132 1999年 [査読有り]
     
    The ISIS, In-situ Storage Image Sensor, may achieve the frame rate higher than 1,000,000 pps. Technical targets in development of the ISIS are listed up. A layout of the ISIS is presented, which covers the major targets, by employing slanted CCD storage and amplified CMOS readout. The layout has two different sets of orthogonal axis systems: one is mechanical and the other functional. Photodiodes, CCD registers and all the gates are designed parallel to the mechanical axis system. The squares on which pixels are placed form the functional axis system. The axis systems are inclined to each other. To reproduce a moving image, at least fifty consecutive images are necessary for ten-second replay at 5 pps. The inclined design inlays the straight CCD storage registers for more than fifty images in the photo-receptive area of the sensor. The amplified CMOS readout circuits built in all the pixels eliminate line defects in reproduced images, which are inherent to CCD image sensors. FPN (Fixed Pattern Noise) introduced by the individual amplification is easily suppressed by digital post image processing, which is commonly employed in scientific and engineering applications. The yield rate is significantly improved by the elimination of the line defects.
  • T Etoh; H Mutoh; K Takehara; S Oki
    23RD INTERNATIONAL CONGRESS ON HIGH-SPEED PHOTOGRAPHY AND PHOTONICS, PT 1 3516 341 - 344 1999年 [査読有り]
     
    An improved design is presented for an ISIS, In-situ Storage Image Sensor, previously proposed by the authors for a high frame rate video camera of 1,000,000 pps. CCD channels of the sensor play dual roles for signal storage in an image capturing phase and for signal transfer in a read-out phase, which minimizes unutilized spaces on the light receptive area The transfer direction is only vertical which simplifies the structure of the sensor and provides better quality in reproduced images. An overwriting mechanism is built in, which facilitates synchronization of cease of the image capturing phase to the occurrence of a target event The design is improved by coupling adjacent two CCD channels and two photodiodes, which provides wider spaces to place metal wires to increase rate of charge drive.
  • 北川 博巳; 竹原 幸生; 江藤 剛治; 三星 昭宏
    工学・工業教育研究講演会講演論文集 9 221 - 224 公益社団法人日本工学教育協会 1997年08月
  • T Etoh; K Takehara
    ULTRAHIGH- AND HIGH-SPEED PHOTOGRAPHY AND IMAGE-BASED MOTION MEASUREMENT 3173 57 - 66 1997年 [査読有り]
     
    It costs a few million dollars to develop an innovative solid-state image sensor. Various image sensors with special useful functions have been proposed for individual scientific and engineering research purposes. However, the enormous cost hampers their development. Presented in this paper is an attempt to classify wide-range of requirements for high-speed image sensors for scientific and engineering use, and to combine them into a limited number of specific designs. This will serve to provide a rational overall development strategy and to reduce overlapping effort and cost for their development and hopefully contribute to realization of some of the designs. This is a state-of-the-art paper on development of high-speed video cameras, including: (1)classification of advanced image capturing technologies required for scientific and engineering researches, (2)performance criteria for high-speed image capturing, (3)classification and comparison of currently available high-speed image capturing technologies, (4)user's requirements for electronic high-speed imagers, obtained by questionnaires and hearings, (5)comparison of PRIS(parallel readout image sensors) and ISIS(in-situ storage image sensors), (6)current status of fabrication technology of both CCD-and CMOS-image sensors, and (7)recommendation of prototype high-speed image sensors for urgent development.
  • 北川博巳; 竹原幸生; 武田慎治; 三星昭宏; 江藤剛治; 篠原紀
    土木計画学研究・論文集 13 13 381 - 390 Japan Society of Civil Engineers 1996年08月 
    近畿大学理工学部土木工学科では, 約1年間の準備機関を設けて, 学生に市民工学としての土木工学を理解してもらい, 土木技術者として必要な素養を持ってもらう1つの機会として, 新設したカリキュラムに「社会奉仕実習」取り入れ, 今年度4月より開講する予定だった. 先の阪神大震災に阪神地方は見舞われて, ボランティアに対する要請が高まっていった. また, 土木に関連した分野においても大量のマンパワーを必要としていることも考慮して, 「社会奉仕実習」を前倒しで実施することになり, 学生の派遣を行った. ここでは, 社会奉仕実習の概要と今回派遣した活動の内容にっいて報告し, 土木工学教育とボランティアについて, 今回の震災とボランティアとの関係について考えてゆく.
  • 丸山 義一; 江藤 剛治; 竹原 幸生; 赤星 尚; 西本 相忠
    可視化情報学会誌 16 1 111 - 112 The Visualization Society of Japan 1996年 
    Image analysis techniques are now widely applied to measurement for scientific and engineering studies. It has a great advantage in that simultaneous aerial measurement is possible. One disadvantage is that, as the aspect ratio of a TV display is about 5 : 3, it is difficult to visualize the whole span of an object with high aspect-ratio such as cables, bridges, etc. Three techniques are proposed to overcome the difficulty : (1) Employment of a cylindrical lens system, (2) Development of a proper computer algorithm, and (3) Development of a special video camera. The combination of all these three will accomplish simultaneous measurement of whole span of linear objects with satisfactory accuracy.
  • 北川 博巳; 竹原 幸生; 武田 慎治; 三星 昭宏; 江藤 剛治
    工学・工業教育研究講演会講演論文集 1996 207 - 210 公益社団法人 日本工学教育協会 1996年
  • 江藤 剛治; 竹原 幸生; 岸田 義広
    可視化情報学会誌 12 1 215 - 218 The Visualization Society of Japan 1992年 
    Surface deformation by impact of a droplet and entrainment of the droplet into water arc visualized by means of a high-speed video camera developed by the authors, of which framerate is 4, 500 pps. The average diameter of droplets used in the experiment is 4.6 mm. The height of the nozzle which releases droplets is varied in the range of 5-45 cm.
    Some preliminary results are obtained as follows :
    (1) The relation between height (i.e., impact speed) and size of the crater changes for the low or high falling velocity, which implies the process is also different,
    (2) The surface deformation and entrainment processes can be clearly visualized in detail by the camera.
  • 竹原 幸生; 江藤 剛治
    可視化情報学会誌 12 1 79 - 82 The Visualization Society of Japan 1992年 
    A new method for measuring velocity field by tracking particles is proposed. Kalman's filtering theory and the Chi-square test are applied to the algorithm. By using Kalman's filtering theory, the particle information at the (t+1)-th step is estimated by particle information at the t-th step. The Chi-square test is applied to correlate a particle image in the t-th frame with the same one in the (t+1)-th frame.
  • 松永 信博; 竹原 幸生; 柴田 敏彦; 小松 利光
    水理講演会論文集 33 493 - 498 Japan Society of Civil Engineers 1989年 
    The characteristics have been investigated experimentally of turbulence of open-channel flows on a sinusoidal solid bed. The experiments have been carried out on two kinds of flows, i. e., dune type flow and anti-dune type flow. The dune type flow forms a core region, in which the characteristics quantities of turbulence are constant in the flow direction. As for the antidune type flow, the region is not observed and the turbulent quantities vary in the flow direction. In the both flows, the vertical distribution of the Reynolds stress takes a minimum value in the region from crest to trough. This is due to the passing of an organized eddy.
  • 松永 信博; 粟谷 陽一; 竹原 幸生
    土木学会論文集 1988 393 229 - 232 公益社団法人 土木学会 1988年 
    It has been found experimentally that a row of two-dimensional vortices forms in an offshore zone when surface waves climb up a sloping flat bed. The vortices occur near the separation point of the Stokes layer, i. e., near the breaking point, and are transported in the offshore direction. Performing the vortex pairing, the vortices increase their length scales offshorewards. They are nearly equal to the local depth of water. In the case when the slope of the bed from the horizontal is 2.44°, the row of vortices appears when hb/Lb≤0.096. Here, hb and Lb are the mean water depth and the wavelength at the breaking point, respectively.

講演・口頭発表等

  • 阿部悟; 高木力; 米山和良; 鳥澤眞介; 波部斉; 阿部孝司; 井口信和; 竹原幸生; 升間主計; 八木洋樹; 中井彰治; 山口武治; 浅海茂
    日本水産学会大会講演要旨集 2019年03月
  • 林直樹; 三井鷹; 井口昭彦; 高野保英; 沖中知雄; 竹原幸生; 下ノ村和弘; 江藤剛治; 江藤剛治
    映像情報メディア学会技術報告 2018年06月
  • 江藤剛治; 下ノ村和弘; 竹原幸生; 犬丸秀夫; 林直樹; 三井鷹; 井口昭彦; 三原勉
    映像情報メディア学会技術報告 2018年03月
  • 高木力; 米山和良; 阿部悟; 鳥澤眞介; 竹原幸生; 山口武治; 浅海茂
    日本水産工学会学術講演会講演論文集 2017年05月
  • 阿部悟; 高木力; 竹原幸生; 木村暢夫; 平石智徳; 米山和良; 鳥澤眞介; 山口武治; 浅海茂
    日本水産学会大会講演要旨集 2017年03月
  • 久末信幸; 竹原幸生
    電気評論 2016年09月
  • 裏泰樹; 麓隆行; 竹原幸生
    土木学会年次学術講演会講演概要集(CD-ROM) 2016年08月
  • 裏泰樹; 麓隆行; 竹原幸生
    コンクリート工学年次論文集(CD-ROM) 2016年06月
  • 麓隆行; 裏泰樹; 竹原幸生
    コンクリート工学年次論文集(CD-ROM) 2016年06月
  • 阿部悟; 高木力; 竹原幸生; 木村暢夫; 平石智徳; 米山和良; 鳥澤眞介; 浅海茂
    日本水産学会大会講演要旨集 2016年03月
  • 麓隆行; 竹原幸生
    可視化情報学会誌 2015年09月
  • 高野保英; 竹原幸生; 江藤剛治
    可視化情報学会誌 2015年09月
  • 竹原幸生; 高野保英; 杉原大仁; 江藤剛治
    高速度イメージングとフォトニクスに関する総合シンポジウム講演論文集(CD-ROM) 2015年
  • 濱畑 孝; 宇都 怜士; 秋濃 俊郎; 西 謙二; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. SIP, 信号処理 : IEICE technical report 2008年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    本論文では,クロック当り最大5nFの負荷容量を持つCCDチップを100MHzの高速で動作するディスクリート素子を搭載したプリント基板を開発し,そのディスクリート素子を駆動するためSOI型0.18μmCMOSプロセスに基づいたクロックを生成する電源チップを設計する.TSMCのバルクCMOSプロセスにおけるBSIM3モデル・パラメータを基本にして、その不純物プロファイルは深さ方向に表面のチャネル不純物濃度の値を保つように変更した.基板はノンフローティングにし,そのコンタクト抵抗が小さくなるようにレイアウトを工夫して,横型npn-或いはpnp-BJTを活性化する統合CBiCMOSバッファ回路の高速化と低エネルギー化を図った.しきい値電圧の絶対値を0.5Vに固定して,【電源電圧/しきい値電圧】の比の値を1.5から4の範囲で変えた回路シミュレーションでは,2の値でその平均エネルギーが最小となった.さらに各種条件下の回路シミュレーション結果を報告する.結果として,約100MHzのクロック生成の技術的見通しが得られた.
  • 小林 正稔; 秋濃 俊郎; 西 謙二; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. SIP, 信号処理 : IEICE technical report 2008年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    斜行直線CCD型メモリーを備える画素周辺記録型撮像素子(ISIS)で100から150の連続画像を1億枚/秒の速度で撮影する超高速ビデオカメラの開発を行っている.システムの電源電圧は最大8Vであり,電源チップはCCDチップのクロック当り最大5-nFの負荷容量を駆動する.本研究では,約32Vの絶縁破壊電圧をもつSOI型1.2-μmCMOS/プロセスに基づき,クロックを生成する電源チップの設計を目指す.バルク型1.2-μmCMOSプロセスのMOSFET電流-電圧特性の実測値に合わせたLEVEL2モデル・パラメータに対し,そのチャネル不純物濃度が深さ方向にそのまま変わらない同プロセスを想定した.基板はノンフローティングにし,そのコンタクト抵抗が小さくなるようにレイアウトを工夫し,横型のnpn-或いはpnp-BJTを活性化する統合CBiCMOSバッファ回路により大きな負荷を駆動する.回路シミュレーションの結果,電源電圧が8Vで負荷容量が5-nFの場合,β_Fを100とした統合CBiCMOSバッファ回路は,ファンアウト4の2段CMOSインバータに比べ,遅延時間が約1/10となり,エネルギーは約101%と僅かに上回っている.5-nFの負荷容量に対し最大8MHzでしか動作しないので,さらに新しい工夫が必要とされている.
  • 濱畑 孝; 宇都 怜士; 秋濃 俊郎; 西 謙二; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. VLD, VLSI設計技術 2008年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    本論文では,クロック当り最大5nFの負荷容量を持つCCDチップを100MHzの高速で動作するディスクリート素子を搭載したプリント基板を開発し,そのディスクリート素子を駆動するためSOI型0.18μmCMOSプロセスに基づいたクロックを生成する電源チップを設計する.TSMCのバルクCMOSプロセスにおけるBSIM3モデル・パラメータを基本にして、その不純物プロファイルは深さ方向に表面のチャネル不純物濃度の値を保つように変更した.基板はノンフローティングにし,そのコンタクト抵抗が小さくなるようにレイアウトを工夫して,横型npn-或いはpnp-BJTを活性化する統合CBiCMOSバッファ回路の高速化と低エネルギー化を図った.しきい値電圧の絶対値を0.5Vに固定して,【電源電圧/しきい値電圧】の比の値を1.5から4の範囲で変えた回路シミュレーションでは,2の値でその平均エネルギーが最小となった.さらに各種条件下の回路シミュレーション結果を報告する.結果として,約100MHzのクロック生成の技術的見通しが得られた.
  • 小林 正稔; 秋濃 俊郎; 西 謙二; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. VLD, VLSI設計技術 2008年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    斜行直線CCD型メモリーを備える画素周辺記録型撮像素子(ISIS)で100から150の連続画像を1億枚/秒の速度で撮影する超高速ビデオカメラの開発を行っている.システムの電源電圧は最大8Vであり,電源チップはCCDチップのクロック当り最大5-nFの負荷容量を駆動する.本研究では,約32Vの絶縁破壊電圧をもつSOI型1.2-μmCMOS/プロセスに基づき,クロックを生成する電源チップの設計を目指す.バルク型1.2-μmCMOSプロセスのMOSFET電流-電圧特性の実測値に合わせたLEVEL2モデル・パラメータに対し,そのチャネル不純物濃度が深さ方向にそのまま変わらない同プロセスを想定した.基板はノンフローティングにし,そのコンタクト抵抗が小さくなるようにレイアウトを工夫し,横型のnpn-或いはpnp-BJTを活性化する統合CBiCMOSバッファ回路により大きな負荷を駆動する.回路シミュレーションの結果,電源電圧が8Vで負荷容量が5-nFの場合,β_Fを100とした統合CBiCMOSバッファ回路は,ファンアウト4の2段CMOSインバータに比べ,遅延時間が約1/10となり,エネルギーは約101%と僅かに上回っている.5-nFの負荷容量に対し最大8MHzでしか動作しないので,さらに新しい工夫が必要とされている.
  • 濱畑 孝; 宇都 怜士; 秋濃 俊郎; 西 謙二; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. CAS, 回路とシステム 2008年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    本論文では,クロック当り最大5nFの負荷容量を持つCCDチップを100MHzの高速で動作するディスクリート素子を搭載したプリント基板を開発し,そのディスクリート素子を駆動するためSOI型0.18μmCMOSプロセスに基づいたクロックを生成する電源チップを設計する.TSMCのバルクCMOSプロセスにおけるBSIM3モデル・パラメータを基本にして、その不純物プロファイルは深さ方向に表面のチャネル不純物濃度の値を保つように変更した.基板はノンフローティングにし,そのコンタクト抵抗が小さくなるようにレイアウトを工夫して,横型npn-或いはpnp-BJTを活性化する統合CBiCMOSバッファ回路の高速化と低エネルギー化を図った.しきい値電圧の絶対値を0.5Vに固定して,【電源電圧/しきい値電圧】の比の値を1.5から4の範囲で変えた回路シミュレーションでは,2の値でその平均エネルギーが最小となった.さらに各種条件下の回路シミュレーション結果を報告する.結果として,約100MHzのクロック生成の技術的見通しが得られた.
  • 小林 正稔; 秋濃 俊郎; 西 謙二; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. CAS, 回路とシステム 2008年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    斜行直線CCD型メモリーを備える画素周辺記録型撮像素子(ISIS)で100から150の連続画像を1億枚/秒の速度で撮影する超高速ビデオカメラの開発を行っている.システムの電源電圧は最大8Vであり,電源チップはCCDチップのクロック当り最大5-nFの負荷容量を駆動する.本研究では,約32Vの絶縁破壊電圧をもつSOI型1.2-μmCMOS/プロセスに基づき,クロックを生成する電源チップの設計を目指す.バルク型1.2-μmCMOSプロセスのMOSFET電流-電圧特性の実測値に合わせたLEVEL2モデル・パラメータに対し,そのチャネル不純物濃度が深さ方向にそのまま変わらない同プロセスを想定した.基板はノンフローティングにし,そのコンタクト抵抗が小さくなるようにレイアウトを工夫し,横型のnpn-或いはpnp-BJTを活性化する統合CBiCMOSバッファ回路により大きな負荷を駆動する.回路シミュレーションの結果,電源電圧が8Vで負荷容量が5-nFの場合,β_Fを100とした統合CBiCMOSバッファ回路は,ファンアウト4の2段CMOSインバータに比べ,遅延時間が約1/10となり,エネルギーは約101%と僅かに上回っている.5-nFの負荷容量に対し最大8MHzでしか動作しないので,さらに新しい工夫が必要とされている.
  • 篠田 健太郎; 村上 秀之; 黒田 聖治; 沖 幸男; 竹原 幸生
    全国講演大会講演論文集 2007年11月
  • 竹原 幸生; 寺澤 泰一; 重松 孝昌
    一般社団法人日本機械学会 流体工学部門講演会講演論文集 2007年11月
  • 小林 正稔; 濱畑 孝; 秋濃 俊郎; 西 謙二; ボ・レ クオン; 竹原 幸生; 江藤 剛治
    電子情報通信学会技術研究報告. CAS, 回路とシステム 2007年06月 一般社団法人電子情報通信学会
     
    2001年以来、筆者達は100万枚/秒で100〜150枚の連続画像を撮像できる画素周辺記録型撮像素子(ISIS)と、それを備えるビデオカメラを開発してきた。現在、1億枚/秒の撮像速度を目指して基礎的な研究を継続している。このカメラのCCDチップは電源電圧が最大10Vであり、クロック当り最大5nFの大きな負荷容量を持つ。本研究では、約20Vの高耐圧な1μmのCMOS/SOIプロセスを前提に、その負荷容量を駆動するクロック生成の電源供給チップを予備的に設計し、その回路動作を検証する。横型統合CBiCMOSバッファ回路は、SOIとエピ基板上の部分空乏層で、n-とp-MOSFET及びそれに内存する寄生的な横型のnpn-とpnp-BJTから構成される。電流源として通常のプルアップ或いはプルダウンのMOSFETを追加し、そのドレイン端子からベース端子へ順方向電流を供給する。n-とp-MOSFETをオフにしながら、他方、npn-或いはpnp-BJTを活性化し、そのドレイン端子とベース端子間の抵抗値を減らす統合CBiCMOSの新素子構造を設計した。更に、21段インバータで構成されるリングオシレータの発振出力波形をこのバッファ回路により増幅して駆動する。LEVEL-3の1μmCMOSと電流増幅率β_F = 100のBJTのモデル・パラメータを使った回路シミュレーションの結果、電源電圧が10Vで負荷容量が5nFの場合、本バッファ回路は、ロジカル・エフォートに基づき設計された2段CMOSインバータ回路に比べ、遅延時間が約1/4に減少した。CCDクロックを生成する電源供給チップは、現段階の結論では、最大5nFの負荷容量を1千万枚/秒の撮像速度で駆動できる。
  • 篠田 健太郎; 村上 秀之; 黒田 聖治; 沖 幸男; 竹原 幸生
    全国講演大会講演論文集 2007年05月
  • １億枚/秒の超高速ビデオカメラを目指して  [通常講演]
    秋濃 俊郎; 江藤 剛治; 竹原 幸生; 西 謙二
    映像情報メディア学会 2007年01月 東京 映像情報メディア学会
     
    2001年に筆者らは、各画素が斜行直線CCD型メモリーを備える画素周辺記録型撮像素子(ISIS)を用いて100 万枚/秒で100枚以上の連続画像を撮影することができる超高速ビデオカメラを開発した。現在さらに1億枚/秒の撮影速度の実現を目指して基礎的検討を行っている。現時点における検討結果を報告する。(1) 1億枚/秒の撮影速度を達成する上で予想される様々の技術的課題を示した。(2) 画素レベルでの超高速撮影技術を提案した。曲線設計の積極的活用により、理論的には3億枚/秒を達成することが可能であることを示した。(3) 熱の発生は1億枚/秒を達成する上での制限要因とはならないことを示した。(4) 制限要因は駆動電源と駆動電圧の撮像素子の受光面中央部への送付技術である。これらの問題を解決するには、全く新しい概念のCCD駆動用ICの開発と、このICとISISのSystem-in-Packageとしての一体化技術の開発が必要である。
  • 実測表面流速データと数値解析を組み合わせた3次元流速分布推定法の基礎的研究  [通常講演]
    竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英; 中井 和樹; 中井 亮; 中山 昭彦; 久末 信幸; 中村
    土木学会第60回年次学術講演会 2005年09月 土木学会第60回年次学術講演会
  • PTV Measurements of Flow in Porous Medea by Using Refractivity Matching  [通常講演]
    竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英; 田中健司; 重松孝昌
    The 7th Asian Symposium on Vsualization, 2003（シンガポール） 2003年11月 The 7th Asian Symposium on Vsualization, 2003（シンガポール）
     
    多孔体中の流れ場を、屈折率整合法とPTV により計測した。
  • 風波界面近傍での気流･水流の相互作用に関する画像計測  [通常講演]
    竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英; 辻本 剛三; 水谷 夏樹
    2003年09月
  • 風波界面近傍の気流・水流のPTV同時計測  [通常講演]
    竹原 幸生; 江藤 剛治; 髙野 保英; 真木正弘
    土木学会第57回年次学術講演会（札幌） 2002年09月 土木学会第57回年次学術講演会（札幌）
     
    水表面を通した運動量や物質の輸送現象の解明を目的とし、水表面近傍の気体、および水の流れ場をPTV（Particle Tracking Velocometry）により同時画像計測した。

MISC

受賞

  • 2020年05月 可視化情報学会 令和2年度 技術賞
  • 2017年11月 High Speed Imaging Award
     
    受賞者: 竹原 幸生
  • 平成8年度 可視情報学会賞 技術賞
     JPN
  • 土木学会 平成22年度土木学会論文賞
     
    受賞者: 竹原 幸生
  • 平成18年度グッドプレゼンテーション賞（可視化情報学会）
  • Gallery of Fluid Motion 賞（アメリカ物理学会）
  • 平成１１年度可視化情報学会功労賞（可視化情報学会）

共同研究・競争的資金等の研究課題

  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2022年04月 -2025年03月 
    代表者 : 高木 力; 鳥澤 眞介; 竹原 幸生
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2021年04月 -2024年03月 
    代表者 : 竹原 幸生; 江藤 剛治
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2020年04月 -2023年03月 
    代表者 : 鳥澤 眞介; 竹原 幸生; 高木 力
     
    賢く獲る漁業技術の開発が近年求められているが，生産手段の最適化は対象生物(魚類)の行動特性の理解なしには実現できない。したがって，魚類の群行動についての基本的理解とそのための研究は不可欠である。 本研究では，魚類が群れを形成する意味を物理的側面からアプローチすることにより，その本質的意義の解明を目指す。背景となる力学的論理基盤から群を形成したことによる移動エネルギーコストの利得が単一個体よりどの程度のアドバンテージとなり，魚群の規模によりどのような差がでるのか明らかにすることを試みている。 PTV（流体可視化計測）実験では，マアジを対象種として3尾で形成される魚群を回流水槽で巡航遊泳させるケースと実際のマアジと翼形状の魚体模型を用いて魚群のように遊泳させるケースについて，魚体後流域の流況可視化実験を2種類のレーザー光源と高速カメラを用いて実施した。当該実験で撮影した画像から流況を明かにするために，魚体後流域の流速ベクトルや渦度分布の解析および圧力分布の算定を現在実施中である。 CFD（数値流体力学）解析実験では，ビワマスを対象種としてデジタルビデオカメラで撮影した遊泳運動から魚体の遊泳運動関数を算定した後，魚群を形成する3個体の魚体モデルに遊泳運動を与えて群泳を再現し，数値流体力学解析により魚体モデルに作用する圧力とその分布を算出することで流体力学的効果を求めた。個体間の距離を全長の0.4倍から2.0倍まで変化させながら様々な配置で3個体の魚群を形成させた結果，単体で遊泳した場合と推進効率が変わらない配置と推進効率が10%程度向上する配置があることが分かった。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2019年04月 -2022年03月 
    代表者 : 重松 孝昌; 大友 涼子; 中條 壮大; 麓 隆行; 竹原 幸生
     
    これまで評価が困難であった低ポロシティ多孔質体においては，構成要素のアスペクト比によって透水試験の結果に顕著な影響を及ぼし，空隙形状およびその連結性が透水現象に影響を及ぼすことが明らかになった．また，このような現象をより定量的に評価するためにImmersed Boundary Methodの境界条件モジュールを新たに組み込み，水理実験結果と比較してその妥当性の検証を行った．高ポロシティ多孔質体においては，マイクロ流路を用いて微粒子懸濁液の移動特性に関する実験を行い，空隙の粗密構造によって微粒子の拡がりが促進・抑制されることを明らかにし，流体力学的拡散を確率論的に表現できる可能性を見出した．
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2018年04月 -2022年03月 
    代表者 : 高木 力; 竹原 幸生; 鳥澤 眞介; 阿部 孝司; 米山 和良; 井口 信和
     
    生産物が水面下にある魚類養殖では，生産管理や成育状態を日常的に把握することが困難となっている。そのため，きめ細かい生産管理や効果的な養殖技術開発のためにICT導入による高度化が強く求められている。本研究では魚類養殖の成育・生産を効率化するシステムの構築を目指して，非接触で生簀内養殖魚の収容尾数や，成育状態を計測する基盤技術開発に取り組む。 【個体数計数システムの開発】養殖クロマグロを対象として遊泳する養殖魚魚群をワイドコンバージョンレンズを装着した小型民生品カメラを用いて20m直径の大型生簀内のほぼ全景を捉えることができた。セマンティックセグメンテーション（画像内の全画素にラベルやカテゴリを関連付ける深層学習アルゴリズム）を適用して個体画像を識別したところ，およそ5000枚の教師画像データデータセットを個体画像と背景画像の比率7:3で学習させることにより80%の検出性能を出すことができたが，システムのロバスト性を向上させるためには，個体を移動追跡するアルゴリズムを見直し，実海域での個体同士の重なりや懸濁物等のノイズ等の識別を確実化することが求められことがわかった。 【行動計測による養殖魚状態評価技術開発】個体計数システムの開発では，連続する画像間での同一個体の移動ベクトルをKC法を適用することにより推定することが可能となる。このベクトルの状態を分析することにより，養殖環境や適切な給餌量を評価することが実現できる可能性がある。そこで，連続する移動ベクトルのノルム差D，交差角θ，渦度に類似した指標ωの評価指標を算出し，養成環境の違いがこれらの指標に差をもたらすか分析した。給餌時と非給餌時では，θの値で有意な差が確認され，台風接近による風浪の激しい環境では，ノルム差やωの値に有意な差が現れた。養殖魚の飽食度合いや，波浪によるストレス度合をこれらの指標により評価できることが示唆された。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2018年04月 -2021年03月 
    代表者 : 竹原 幸生; 江藤 剛治; 中北 和之
     
    代表者（竹原）は海面での物質輸送の研究を行ってきた．本研究の目的はその研究の一環で，感圧塗料を用いた波面上の圧力分布の計測技術を開発することである．分担者（中北）は航空流体力学分野で感圧塗料を用いた圧力変動の計測技術の開発を進めてきた．また分担者（江藤）は超高速カメラの開発を行ってきた．異分野の研究者の協働で気流による曲面上の時空間的圧力変動の計測技術の開発を行った．旅客機の飛行速度である250m/s程度の高速風洞では時空間的変動までが計測できるようになった．風速30m/s程度の波面風洞では圧力変動が小さく，温度変化の同時計測による補正等のより高度な計測技術の開発が必要であることがわかった．
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2016年04月 -2019年03月 
    代表者 : 重松 孝昌; 中條 壮大; 麓 隆行; 竹原 幸生
     
    まず，X線CTを用いて，多孔質体の複雑な3次元間隙構造の定量的評価を試み，構成材のアスペクト比や形状が間隙形状に及ぼす定性的な影響について新たな知見を得た．同手法をポーラスコンクリートの間隙構造の計測にも適用し，粗骨材粒径と粗骨材・ペーストの体積比が空隙率，および，透水係数に及ぼす影響を明らかした． 次に，複雑な形状を有する多孔質体間隙中の流れを計算できるように，Immersed Boundary Methodの境界条件設定法について検討するとともに，間隙形状が多孔質体通過流れに及ぼす影響について検討した．その結果として，間隙の大きさが部材作用力および圧力降下量に及ぼす影響を明らかにした．
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2015年04月 -2018年03月 
    代表者 : 竹原 幸生; 中北 和之; 江藤 剛治
     
    ①多重露光Lifetime-PSP計測による動的剛体振動模型上の圧力変動の計測技術を確立した．振動周波数に合わせて位相を同期させ，画像信号を積算することで高精度の圧力計測ができた．②この技術を発展させてLT-PSP法により弾性振動模型上のマッハ0.89の気流中の弾性翼のフラッタ（約100Hz振動）発生時の圧力変動計測に成功した．③時間分解能10 nsのイメージセンサを開発した．これを用いて飛翔する光の連続撮影に成功した（NHKニュースで全国放送された）．④小型波形模型上の風速10mの低速気流による圧力変化を強度法で検出することを試みた．風洞の幅方向平均値を使うことで流れ方向の圧力変化を捉えた．
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2015年04月 -2017年03月 
    代表者 : 木村 暢夫; 米山 和良; 鳥澤 眞介; 平石 智徳; 高木 力; 竹原 幸生
     
    養殖生簀内の飼育個体数を簡便に計数可能な基盤技術を開発する目的で，流体工学分野で適用されている流場の可視化技術であるPTV（Particle Tracking Velocimetry)解析技術を適用し，画像内の魚群の構成尾数を計数する基盤アルゴリズムを構築した。動画像内の一定の輝度と面積以上の領域を魚の個体として領域抽出したのち，当該領域の移動ベクトルをカルマンフィルタのアルゴリズムを適用することにより算定した。ベクトルの本数から空間内の個体数を推定したところ，水槽内に200尾を投入したとき，個体数推定結果の実数に対する平均誤差は5.9%となり，その有効性が確認できた。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2014年04月 -2017年03月 
    代表者 : 麓 隆行; 竹原 幸生
     
    既往の研究では，載荷や劣化によるコンクリート内部の膨張，収縮挙動について，理論モデルや画像相関法などを用いた推定にとどまっている．より実際の内部変形挙動を計測するため，研究代表者は，新たなX線CT装置を開発し，X線CTやPTVを用いた3次元での内部変形計測法を提案した．本研究では，提案した計測手法の開発を目的とし，指標の選定，基礎計測技術の確立，そして適用性確認を行った．その結果，ジルコニア球を指標とし，基準点を用いた座標変換により，圧縮試験時のコンクリート内部の変形を270μ程度の誤差までで計測できる手法を確立できた．
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2013年04月 -2015年03月 
    代表者 : 江藤 剛治; 竹原 幸生
     
    10億枚/秒(1Gfps)の撮影速度と1光子感度を持つ究極の高速撮像素子の開発を目標とした。以下の成果が得られた。(1)素子構造：センサとドライバーチップそれぞれの新構造を提案し、これらを接合した3D構造のセンサを設計した。(2)最高撮影速度（シミュレーションレベル）：6Gfps（時間分解能160ps）が可能であることを示した。(3)最高撮影速度（試作チップ）：ドライバーチップでは時間分解能1ns（1Gfps）を達成した。センサチップのプロセスにミスがあり、現在、再プロセス中である。1Gfpsは達成できると考えている。センサはCCD構造なので、冷却により数光子感度になる。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2010年04月 -2014年03月 
    代表者 : 沖中 知雄; 竹原 幸生
     
    圧縮荷重下でのき裂進展メカニズムを明らかにする目的で，一軸圧縮荷重下での2次元き裂進展実験，圧縮荷重下での3次元内部き裂進展実験及び数値解析を行った．一軸圧縮荷重下でのき裂進展実験では，超高速ビデオカメラと光弾性手法を組み合わせてき裂の進展状況と応力分布の変化を高い時間分解能で画像計測した．その結果，き裂の進展挙動には供試体中を伝播する応力波が大きな影響を与えている可能性が示された．また，3次元内部き裂進展実験に高時間分解能な画像計測を適用することにより，3次元き裂の進展過程を可視化することができた．PDS-FEMを用いた3次元内部き裂の進展解析は，実験結果と定性的には良好な一致を見せた．
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2011年 -2012年 
    代表者 : 竹原 幸生
     
    微生物回りの流れ場計測のために微分干渉顕微鏡を用いた 3次元 PTV計測法の開発を行った. 3次元 PTV計測法の原理として,焦点面からのズレによる粒子画像の変化の特徴を計測し,奥行き方向の位置を計測する方法を提案した.ピンボケにより粒子画像にリング状の干渉縞が生じ,それがピント面からのズレに応じて線形的に変化すること明らかとなった.提案した計測手法を用いて,粒径 0.983.mのポリスチレン粒子を用いて水中でのブラウン運動を計測し,理論値と比較した.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2008年 -2010年 
    代表者 : 竹原 幸生; 江藤 剛治; 鈴木 直弥; 高野 保英; 森 信人; 水谷 夏樹
     
    大気-海洋間の気体輸送現象に対するホワイトキャップの影響を明らかにするため,3台の高速ビデオカメラを用いた画像計測法により,風波界面近傍の流れ場計測技術を開発し,ホワイトキャップが生じている近傍の流れ場を明らかにした.さらに,気流と風波発達の関係も画像計測により明らかにした.また,砕波により生じた気泡の特性を画像計測により明らかにした.さらに,全球規模での大気-海洋間の気体輸送に対する砕波の影響も現地計測データや衛星データを用いて評価した.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2006年 -2009年 
    代表者 : 沖中 知雄; 竹原 幸生
     
    準静的な載荷下でのき裂の不安定成長について,実験と数値解析を用いて検討を加えた.実験手法として,超高速ビデオカメラを用いた画像計測を採用した.光弾性装置を用いて供試体中の応力分布を可視化し,き裂の不安定成長過程と成長に伴うき裂先端部近傍の応力分布の変化をμ秒単位で画像計測した.またき裂の不安定成長を解析するアルゴリズムを提案した.提案されたアルゴリズムによる解析結果は実験による画像計測結果と比較され,アルゴリズムが良好な精度をもつことが示された.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2007年 -2008年 
    代表者 : 森 信人; 渡部 靖憲; 竹原 幸生; 渡部 靖憲
     
    沿岸域の砕波帯などで見られる水面波の砕波は, 時空間的に非定常かつ高速にマイクロスケールからセンチメートルスケールに渡る大きさの気泡や飛沫を多数発生させる. このような砕波により生成される気泡および飛沫を計測する手法を開発した. これを用いて, 砕波帯における気泡の計測を行い, 沿岸部における気泡の大きさや個数について調べ, 波浪条件との関係を明らかにした.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2003年 -2005年 
    代表者 : WELLS John C.; 江頭 進治; 杉山 進; 大上 芳文; 梶島 岳夫; 竹原 幸生; 江頭 剛治
     
    壁乱流のシミュレーション技術を向上させるために、本研究では新しい乱流測定技術を開発すると共に、:LES(:Large Eddy Simulation)における壁層モデル,および河床等における高濃度固液二相乱流の解析のための想定領域法を確立した。 測定技術に関しては、開水路乱流実験計測用のステレオPIV(Particle Image Velocimetry)技術を発展させた.まず,ステレオPIV法におけるカメラの理論的な配置法やカメラのキャリブレーション法に関する新しい知見を得た。また、今まで困難であった壁近傍流れの2次元PIVに対して,壁面におけるせん断率を直接に測定する新しい画像処理法を提案し、正弦曲線床の場合に実画像と精度よく対応することを確認した。さらにこの画像処理法をステレオPIVに適用した。 河床近傍の固液二相乱流の現象を解析するために、梶島らの「想定領域法」を発展させ、粒子濃度の高い流れの数値解析を次の通りに行い,満足な結果が得られた。まず粒子同士の接触過程を検証するために、回転円柱内のガラスビーズの過渡的な斜面崩壊のシミュレーションを行った。崩壊前の最大斜面角度および崩壊後の最小角度は、±1.5度の精度で実験結果と合っている。また、自由表面流れ,および掃流砂層を形成することのできる回転ドラムを作成し、その実験結果は2次元数値解析の結果と全体的に十分に一致した。これらの検証を行った後、球形粒子1500個を含む2重周期「ミニマルチャネル」領域内における移動床上の掃流砂のシミュレーションを実行し、粒子レイノルズ数が約15となるような平衡状態が確認できた。無時限掃流力0.06〜1.1の広い範囲において、Meyer-Peter Muellerの経験則によって予測される粒子フラックスの計算結果と、誤差20%以内で一致した。代表者の知る限りでは、掃流砂のDNSの計算が実現されたのは,本研究が初めてである。 粗面を対象としたLarge Eddy Simulation(LES)については、凸凹に作用する圧力抵抗のモデル化が重要であるが,未解決の課題である。そのために、任意の物体に働く圧力抵抗と表面における渦度発生過程を解析し、それらと流れの中の渦度の移流との関係を明らかにした。この関係式が上記の想定領域法やLES法のアルゴリズム開発の役に立つであろう。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2003年 -2005年 
    代表者 : 竹原 幸生; 江藤 剛治; 高野 保英
     
    本研究では,荒天時に海洋表面で生じる気泡混入-水滴生成連鎖現象によって生じる大気-海洋間の物質輸送機構の解明を目的として,2001年に近畿大学で開発された1秒間に100万枚撮影できる超高速ビデオを用いて可視化計測した。 大気-海洋間の物質輸送は,白波による気泡連行ばかりでなく,巻込まれた気泡が海表面に浮上し,破裂することによって生成される微小水滴も大きく影響を及ぼす。その水滴の一部は風によって大気上空に巻き上げられ,水分は蒸発し,海塩粒子となる。また残りの水滴は再度水表面に落下し,気泡を巻込み,更に同様の過程を繰り返す,「気泡混入-水滴生成」の連鎖過程が生じる。この「気泡混入-水滴生成」連鎖過程は,荒天時においては大気-海洋境界で特に激しく生じており,大気-海洋間の物質輸送に非常に密接に影響すると考えられる。 特に,水表面で破裂する気泡によって生じる水滴の生成過程,および水滴が水表面に衝突することによって生じる気泡の生成過程に着目し,その素過程を詳細に観察した。以下のような点について詳細な研究を行った。(1)水滴の水表面衝突による気泡の取り込みの高速ビデオカメラによる詳細な観察(Journal of Fluid Mechanicsに掲載,2003)。(2)2つの水滴の接触による合体過程の高速ビデオカメラによる詳細な観察(Journal of Fluid Mechanicsに掲載,2005)。(3)2つの気泡の接触による合体過程の高速ビデオカメラによる詳細な観察(Physic of Fluidsに掲載,2005)。(4)表面張力の違う水滴衝突による水滴生成過程の高速ビデオカメラによる詳細な観察(Journal of Fluid Mechanicsに掲載,2006)。(5)画像計測による風波界面極近傍の水流・気流の同時計測法の開発(Proc.of the 29^ Intl.Conf.Coastal Eng.に掲載,2005)。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2003年 -2005年 
    代表者 : 重松 孝昌; 竹原 幸生; 渡部 靖憲
     
    本研究は,固液混相流の三次元乱流構造を解明するための計測手法を開発することを目的とした研究で,竹原の開発したSuper-Resolution PIV法の時間解像度の向上を,また,同時に,渡部の開発した三次元ステレオPIVの時間・空間解像度の向上に取り組んだものである. Super-Resolution PIVは多数のトレーサー粒子の解析も可能で高空間解像度を有する計測が可能であるが,計測システム上,時間解像度が十分ではないという課題を有していた.この点については,高時間・高空間解像度ビデオ計測システムの購入により改善された.本計測システムによって得られた画像に基づいて多孔質体間隙部およびその近傍の流速計測を行い,Super-Resolution PIVを用いて解析を行うことによって,多孔質体を通過する際の乱れの生成・減衰機構について詳細な検討を行うに至った. 三次元ステレオPIVは,三次元計測が可能であるが,トレーサー粒子数が多くなると解析に膨大な時間を要するという課題があった。この点については,アルゴリズムを改善することによって改善を図り,低コストかつ高解像度の計測システムへと再構築した.改善された三次元ステレオPIV法を砕波帯下の混相流場へ適用し,複雑な運動を呈する流体および底質の挙動解析が行えるに至った, さらに,高濃度粒子群に誘起される極めて流速の早い流体運動を伴う固液混相流場の計測のための画像流速計測手法として,流跡線連結法なる手法を開発し,分散相誘起型流体運動の計測に適用して,気液界面極近傍および固液界面極近傍における流体運動までも計測できることを示すとともに,その有用性を示すに至った.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2003年 -2005年 
    代表者 : 出口 一郎; 竹原 幸生; 荒木 進歩
     
    毎年海水浴シーズンになると,100名を越える尊い人命が海水浴中の事故で失われており,その大部分は,いわゆる離岸流によって引き起こされているといわれている.予め離岸流の発生が予測できる場合は,警告などを出すことにより,事故の発生を未然に防ぐことが可能である.しかし,いくつかの離岸流は狭い範囲で発生し,その持続時間も必ずしも長くはない.この様な離岸流は,遊泳者にとって非常に危険なものとなる.一方,離岸流は沖への漂砂輸送流れとなることから,海岸侵食を議論する上でも重要な流れである.本研究では,飛行船に搭載したビデオカメラによるメソスケールリモートセンシング(100*100m〜400*400mの領域の流れ,波浪の計測)及び周辺海域の波浪情報(波向・波高・周期,平均水位,など)を同時に計測するシステムを構築し,このシステムを用いて継続した離岸流の現地実測を行うと同時に,波浪情報計測システムの有効性を検討するために,平面水槽内での実験を行った. 離岸流に関する現地実測では,従来指摘されていたすべての地形性離岸流の計測を行うことができ,さらに突発性離岸流の流況の計測も行うことができた.また,K-GPS相対測位法による海底地形計測法も開発し,観測された離岸流発生地点周辺の海底地形の精測を行い,その上での波浪変形,海浜流の数値計算を行うことにより,海底地形と入射波浪条件が与えられれば十分な精度で離岸流の発生が予測できることを示した.さらに,リモートセンシングから得られる画像処理による海底地形の推定法,平面的な広がりを有する海面情報(特に波高分布)の取得方法などの構築を行い,その有効性について確認している.これらの成果は,今後の極浅海域流体運動の解析に非常に有効な手段を提供するものと考えられる.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2002年 -2004年 
    代表者 : 江藤 剛治; 竹原 幸生; 中口 譲; 梶井 宏修; 高野 保英
     
    1.河川や海岸におけるPTVの適用技術の開発 (1)効果的なトレーサーの自動認識技術を開発した。カラー画像を用いた判別分析、および粒子候補の継続時間(2秒以上継続するものが粒子候補)による判別の組み合わせにより、水面のさざ波により反射する多数の光点と、トレーサー粒子を、誤認率1%程度で識別することができるようになった。[江藤・竹原・高野ら:土木学会論文集] (2)淀川、鳥取海岸等で、実際にヘリコプターや繋留気球を用いてPTV計測を行った。淀川ではグランドツルースとして、同時にADCPによる流れの空間3次元計測を行った。PTVによる計測結果とADCPによる計測結果は比較的良く一致した。[江藤他:水工学論文集、河川技術論文集等] (3)風波発生時の波と流れのPTVによる同時計測技術を開発中した。[竹原(海岸工学論文集等)]。 (4)同時に水質のグランドツルースとして淀川における窒素やリンについても実測を継続し、季節変動特性を明らかにした。[中口] 2.繋留飛行船等による大気サンプリング技術の開発 (1)繋留飛行船(微風時)や大型カイト(やや強風時まで)の係留索に、高度別に吊り下げることが可能な大気サンプラーを開発した。[中口・高野] (2)実際にサンプリング実験を行った。NOx濃度やSPM濃度の計測値において、高度50m程度で濃度が最大になり、100m程度では再び濃度が下がる、ダストドームが生じていることが確認された。ダストドームは繋留飛行船に搭載したカメラで撮影した画像からも確認できた[中口・高野]。 3.関連して得られた研究成果 今回の科学研究費で購入した赤外線ビデオカメラを用いて、水域のローカルリモートセンシング以外にも以下のような貴重な研究成果が得られた。 (1)交差点の管理における赤外線ビデオカメラの利用技術の開発[江藤] 人体レベルにおける熱環境計測[梶井]
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2002年 -2003年 
    代表者 : 辻本 剛三; 中尾 幸一; 柿木 哲哉; 重松 孝昌; 竹原 幸生; 細山田 得三
     
    消失した藻場を海域に再生させるための基礎的情報を得るために室内実験および現地藻場の水質および流動調査を実施した.模擬海藻内の浮遊砂濃度を画像により計測した.閾値を任意に定めることにより浮遊砂濃度分布と粒度分布を同時計測することができた.底質の初期移動時の粒径は、中央粒径よりも大きな粒子であり、時間の経過と供に中央粒径の粒子が移動していることが判明した.移動物体を巻きつけ判定法で判別し、運動方程式と流れ場を連成モデルとして数値的に解く方法を新たに開発し、簡単なモデルであるが、物体の移動に伴い物体の背後に渦等が形成されるなど、適切に現象が再現された,一様流流れ場に流体と物体の屈折率を合わせた水路において、3次元場の多孔質体場を再現し、PTV手法により画像計測を用いて内部流体を計測した.乱れのエネルギーは多孔質体の直上流部で生成され、また、多孔質体から流体が出る際にも乱れが増大していることが判明した. 兵庫県明石市の江井ヶ島海岸において形成されているアマモ場で現地観測を実施した.時期的には繁茂期を過ぎた衰退期であったため枯れた藻が多かった.PHとDOには明確な相関があり、日中の光合成の影響と考えられる.また、海底近傍では藻場の影響により流速の低下が観測された.
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2001年 -2002年 
    代表者 : WELLS John C.; 梶島 岳夫; 杉山 進; 江頭 進治; 山本 恭史; 竹原 幸生
     
    本研究は、流砂のマイクロメカニクスを解明するに当たり、次の三つの課題に焦点を絞り、これらを推進している。 (1)乱流と粒子運動のシミュレーション法の開発・検証、(2)force-momentマイクロセンサの開発・検証、(3)流砂の微視的挙動の解明。 課題(1)では、流水中の粒子間接触力に関する合理的なモデルを導入する必要がある。そのため、沈降する球形粒子とステンレス版の水中反発係数を測定し、それが表面粗さによって弱まることがわかった。また、同じ実験材料を用いて空気中の反発係数を測定した結果、粗さの影響は水中と同程度であった。したがって、衝突中接触している凹凸の間の液体の粘性よりも、凹凸の塑性変形などに伴う散逸が支配的であることが結論となる。DNSに関する梶島の手法に対しては、粒子の加逮度を正しく計算するような計算法を提案している。 課題(2)においては、水路床の粒子に働く力およびモーメントのすべての成分を測定できるピエゾ抵抗型マイクロセンサを開水路床に設置し、再現性のある信号を得た。また、センサーチップの設計を改善した結果、S/Nのより高い装置を実現できた。 課題(3)に関しては、滑面開水路における等流乱流の数値シミュレーションを行い、河床に設置した半球に働く流体力を梶島法で計算した結果、抗力と揚力の相関が非常に高く、また、それらと周りの主流速度成分の相関が高いことがわかった。また、縦渦の高さより小さい粒子(d+=12)に働く流体力の統計特性は大きい粒子と比べて随分違うことを明らかにした。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2000年 -2002年 
    代表者 : 角野 昇八; 朝位 孝二; 江藤 剛治; 杉原 裕司; 竹原 幸生; 吉岡 洋; 細井 由彦; 中村 由行
     
    角野・重松・細井は、既に開発のシングルボイドプローブに改良を加え、ダブルボイドプローブを新たに開発してその有効性を確認するとともに、それを用いて造波水槽内砕波連行気泡特性を解析した。また、気体輸送流量係数の概念を提案し、沿岸砕波における気体輸送量の定量的評価の可能性を示した。朝位は、5cm×25cm×60cmの水槽の底面からバブリングを行い,全水深をパラメータとして乱流計測を行った。その結果、気泡部の水平方向・鉛直方向乱れ強度は水深方向に顕著な変化は見られないが,気泡部外では水面近傍で各方向乱れ強度が増加することが分かった。また全水深が大きいほど気泡部外における鉛直方向乱れ強度が大きくなることも確認された。江藤は、単一の水滴が水表面に衝突するときの気泡連行現象を,既に開発の100万枚/秒の超高速ビデオカメラを用いて詳細に観察した。特にある条件下で水滴と水表面の間に気膜が取り込まれ,それが球状に変形するときにネックレス状の不安定を生じることを新たに見出した。落下する水滴のレイノルズ数およびウェーバ数と,取り込まれる気膜の厚さ,発生するネックレス不安定の波長等の定量的特性量も明らかにした。杉原は、水表面に形成される乱流の微細構造に着目して,振動格子乱流場におけるガス交換機構について検討した.PIVおよびLIFの手法を用いて,水表面における乱流構造およびCO2吸収過程の可視化を行った.その結果,水表面における表面更新はテイラーマイクロスケールの乱流渦によって特徴づけられることが明らかになった.竹原・江藤・重松・辻本は、風波発生時における大気一水域間の物質輸送機構解明を目的に,界面近傍の気流および水流の同時画像計測を行った。計測結果より水面近傍の気流及び水流の組織的な流れ構造を詳細に把握することができた。水流側における水面近傍での組織的な潜り込みや,気流側でのバースティング現象等が確認された。森は、風洞水路内の風波についてレーザー後方散乱を用いた気泡径と上昇速度の計測を行った.得られた気泡径分布より気泡ソース関数の推定を行った.吉岡は、白浜の海洋観測塔で、超音波による砕波気泡の観測を、平成14年7月から10月まで実施した。その間、水中ビデオによる気泡の撮影を試みたが、測器の故障で失敗した。水中ビデオ撮影は、その後、平成15年1.月に大潟の波浪観測用桟橋でテストし、同3月に白浜細野浦において成功した。最後に、Moogは、以上の全体の成果を見渡しながら、砕波面での気体輸送のモデル化の方法について考究した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1999年 -2002年 
    代表者 : 岩田 好一朗; 竹原 幸生; 後野 正雄; 江藤 剛治; 鷲見 浩一; 川崎 浩司
     
    今年度は、4年間に亘る研究の最終年度にあたる。研究代表者と分担者は下記の研究を行った。 岩田は先ず、鷲見と共同して、超高速デジタルカメラ(4500枚/秒)を使って水理実験を行い、気泡の生成状況を詳細に計測することにより、波頭部前面に表面張力波が形成され、この表面張力波による凸凹乱れが気泡を波動内部に取り込むことにより波面が破れることを指摘した。また、岩田は研究の総括を行った。江藤・竹原は、まず画素周辺記録型撮影素子(ISIS)を開発し、これを使って世界で始めて100万枚/秒の超高速度・高感度のビデオカメラの開発に成功した。ついで、現在最も解像力の高いPTV法の代表格のKC法(:Kalman filtering and Chi-square test)を改良して、超高速ビデオカメラ(100万枚/秒)を使い、気液界面での気泡の破裂現象を詳細計測し、気泡の生成と消滅に関する重要な知見を得た。後野は強非線形ポテンシアル理論を使う波変形の数値計算を行い、波頭前面部に形成される"圧力集中特異点"が波面の破れを引き起こすと指摘した。川崎はFFT法と離散ウェーブレット変換による解析を行い、気泡生成後、水中圧力の高周波数成分が増大し、水中音波が発生することを見いだした。そして、その音圧力は気泡発生地点からの距離に反比例して減衰し、無指向性の点源からの球面波伝播理論により予測できることを見いだした。更に、CIP法と拡張SMAC法に基づき、3次元固気液多相流数値モデルDOLFINを開発し、その妥当性を検証した。鷲見は、超高速ビデオカメラ(4500枚/秒)を使った水理実験を行い、内部流速場、気泡混入機構と波面の破れについて考究し、気泡混入過程に4パターンがあることを明らかにした。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 2000年 -2001年 
    代表者 : 江藤 剛治; 沖中 知雄; 甲藤 正人; 竹原 幸生
     
    1.00万枚/秒の高速ビデオカメラの開発 100万枚/秒の超高速ビデオカメラの開発に成功した。これは主として別予算を用いて開発したものであるが、レーザー・マーキングPTVにとっても必須の計測機器である。 2.高速ビデオカメラとホログラム・レーザー・ビームを用いた表面張力測定手法の開発 ホログラムを用いて、多数のレーザー・ビームを発生する方法を実際の計測に適用した。 通常の表面張力測定装置は、細い白金線で作った輪を、水中からゆっくり引き上げ、表面が瞬間的に破壊されて、輪が水面から抜ける瞬間の引っ張り力を測定して表面張力に換算する。 自然界の水面のように、水面に薄い化学物質の膜が形成されているような場合には、この方法による測定は不安定になることは研究代表者らにより指摘されている。すなわち輪が水面をわずかに持ち上げた状態では。輪を成す細線の両側に水面勾配が生じ、それにより、水面が流れ、水面の化学物質の層が薄くなる。 実験水槽の水底から多数の並行レーザー・ビームを水面に向けて照射し、水面上で多数の点として撮影する。中央付近に振動を与え表面張力波を発生させると、水面でのレーザー・ビームの屈折により多数の点像が高速で振動する。これを高速ビデオカメラで撮影し、点像をPTV解析することで、表面張力波の伝播速度や波長を計測することができる。微小振幅表面張力の理論にこれらの値を代入することで表面張力の値を逆算する。純水に対して適用した結果、この方法により、現段階でも誤差10%以内で表面張力を測定できることがわかった。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1999年 -2001年 
    代表者 : 山下 隆男; 今本 博健; 江藤 剛治; 山根 猛; 村田 修; 田中 祐志; 竹原 幸生; 山下 隆男; 吉岡 洋
     
    近畿大学水産研究所は和歌山県田辺湾において,白浜漁業協同組合と共同で,白浜水産養殖種苗研究プロジェクトを実施している。この養殖海域での赤潮発生予測はプロジェクトのみならず漁業者には重要な研究テーマである。同一海域で沿岸海洋学的な観点から海水交換機構を研究してきた京都大学防災研究所白浜海象観測所が白浜水産養殖種苗研究プロジェクトと連携して,田辺湾における海水交換機構と赤潮発生予測に関する研究を行った。本研究では,田辺湾での赤潮発生予測のみならず,湾全体の海水の流動機構,水質環境,生態系予測のための数値モデルの開発,およびモニタリングシステムの構築を行ったが,その概要は以下のようである。 (1)環境要因・海水交換機構に関する研究:田辺湾の海水交換の数値シミュレーションとして,σ座標とz座標を併用した準3次元海水交換モデルを開発する。流体運動(平均流、乱流)の基本プログラムコードはPOMであるが,水温、塩分といったスカラー量の移流・拡散を扱う場合には、数値拡散および数値粘性を極力抑えるため、z座標系でのTVD差分スキームを用いた計算手法を開発した。この場合,流動モデルの結果はz座標系へ変換する。 (2)水質・プランクトンの観測研究:4年間,5〜9月を対象として,防災研究所の沖合観測塔,近畿大学の養殖筏を利用した水質観測システムによる環境モニタリング,プランクトン固体数の計測,田辺湾全域のプランクトン固体数,栄養塩濃度の平面観測を実施した。 (3)赤潮発生予測に関する研究:移動を考慮したロジスティック増殖モデルによる珪藻類の細胞数変動シミュレーションおよびニューラルネットワークによる赤潮のリアルタイム予測法を開発した。 (4)観測,計測された気象,海象,生態系の観測データをCD-ROMにして公開した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1999年 -2000年 
    代表者 : 竹原 幸生
     
    水域の環境を考える上で、酸素や二酸化炭素等の溶存気体量を精度よく評価、予測することが必要である。海洋や湖などにおいて水表面を通した気体輸送は、主に風応力が水表面に作用し、表面が乱されることにより促進される。これまでの研究では専ら上空の風速とバルクな溶存気体量から、気体輸送係数を求めており、直接風速と気体輸送係数を関係付けている。しかし、現地計測の気体輸送係数の結果は、風速に対して大きくばらつく。気体輸送量をより正確に評価、予測するには、水表面での気体輸送機構を理解する必要がある。 本研究では、以下の技術について開発を行った。 (1)水表面を通した二酸化炭素の溶入過程の直接可視化法の開発 蛍光強度のpH依存性を利用して、二酸化炭素の溶入過程の直接可視化法を開発した。水溶性の蛍光染料(ウラニン)がpH6以上では蛍光強度が変化せず、pH6以下では、pHの減少とともに蛍光強度が急激に減少減少する。この特性を利用して、アルゴンイオンレーサーを励起光として、LIF(Laser Induced Fluorescence)法により、風波発生時の二酸化炭素溶入過程の可視化に成功した。 (2)微小水滴をトレーサーとした気体PTVの開発 気流のPTV用トレーサーとして一般的に、微小油滴が用いられる。しかし、水表面での気体輸送現象を目的とした場合、水表面に油膜を作ってしまうため問題となる。本研究では、医療用ネブライザーを用いた微小水滴発生装置を試作し、PTVが可能であることを示した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1998年 -1999年 
    代表者 : 角野 昇八; 杉原 裕司; 江藤 剛治; 朝位 孝二; 細井 由彦; 中村 由行; 吉岡 洋; 竹原 幸生
     
    ・砕波中の気泡特性と波浪特性との関連を特殊ビデオカメラによる砕波画像を可視化して解析した。 ・沿岸砕波帯での混入気泡の影響を考慮した気体輸送速度のモデル式を提案した。 ・砕波時の流れ場計測のための高精度画像計測技術を開発した。 ・レーザ励起蛍光法を応用した技術を用いて、CO_2ガスの水中への溶入過程の可視化を可能にした。 ・沿岸砕波の巻き砕波の気泡連行深は崩れ砕波のものよりも大きくなることを見いだした。 ・風波の場にあるウネリは気体輸送を促進させ、周期が短いほどその効果は大きいことを見いだした。 ・振動格子乱流場を対象として水表面における気体輸送速度を評価した。速度は、Large Eddy Modelで支配されていることを見いだした。 ・太平洋亜熱帯赤道上でのCO_2、N_2Oの分布および変動特性について明らかにした。 ・砕波での気泡混入に伴うガス交換過程のモデル化を行い、単一気泡による実験よりその妥当性を検証した。 ・超音波を利用した現地での気泡観測結果および同時撮影のビデオ画像より、砕波連行の気泡が水面下に取り込まれる過程の可視化に成功した。 ・大気海水界面での気体輸送現象に関する研究趨勢を文献を通して調査した。
  • ローカルリモートセンシング技術の開発
    研究期間 : 1999年
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1996年 -1997年 
    代表者 : 江藤 剛治; 竹原 幸正
     
    粒子画像追跡法による流れ場計測においては,ビデオ画像等から流れの中のトレーサー粒子画像を抽出し,これを電子計算機上で自動追跡する。このとき動画像上では,肉眼で明らかに粒子と認識できるのに,画像を静止させると識別できなくなる粒子が或る。肉眼で認識できない粒子画像は電子計算機による画像解析によって抽出することはできない。そもそも現在の画像解析手法は、(1)静止した,(2)2次元の,(3)モノクロ画像の解析を積み上げる方式である。人間は,(1)動的で,(2)立体的な,(3)カラー画像を直接認識している。上述の静止画像上で粒子が消え去る現象は,主として,動的認識能力が行使できないからであると考えられる。 粒子画像は最も単純な形状であり,人間の動的認識に関する研究の材料として最適である。本研究では次の2つの方針で研究を進めている。 (1)粒子画像による人間の動的認識に関する研究 (2)動的認識に関する知見の粒子画像抽出アルゴリズムへの応用 本年度は次の研究成果を得た。 (1)動的認識に関する研究:粒子画像生成アルゴリズムと眼球画像自動解析装置を開発した。 (2)粒子画像抽出アルゴリズム:著者らの開発した粒子マスク法を,多時刻にわたって蓄積された画像情報を移動させながら積分した画像した画像情報に適用することを試みた。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1996年 -1996年 
    代表者 : 竹原 幸生
     
    自然界における水表面を通した気体輸送過程を規定する素過程のうち,水滴の水表面衝突および気泡の水表面での破裂は非常に重要な要素である。しかも,それらは互いに密接に関連して生じる現象である。例えば,海洋において荒天時に生じた砕破は水中に大量の気泡を取り込み(white cap等),その気泡は水表面で破裂し,大気中に多量の水滴を放出する。放出された水滴のうち,微細なものは大気中に拡散され,大きいサイズの水滴は再び水表面に衝突し,気泡を生じる。本研究ではそれらの相互作用に着目し,基礎的なメカニズムを明らかにするため,可視化技術により現象の観察を行うことを目的とした。 今回は特に液体の表面張力,動粘性を変化させたときに,気泡の崩壊,水滴の発生および水面での水滴の衝突,気泡の取り込みの観察を行った。作業液体としてエタノール水溶液を用いた。エタノール水溶液では濃度が10%と95%のとき,動粘性が0.022cm^2/sec程度とほぼ同じ値となり,表面張力は56.3dyn/cmと25.6dyn/cmとなる。表面張力のみを変化させて実験を行うことができる。また,エタノール水溶液40%と95%では,表面張力30dyn/cm程度とほぼ同じ値となり,動粘性は0.045cm^2/secと0.022cm^2/secと動粘性のみを変化させて実験することもできる。 結果の1例として,崩壊速度スケール(気泡の直径/崩壊にかかる時間と定義)の平均値は,表面張力が小さくなるにつれて大きくなり,動粘性が大きくなるにつれて大きくなる。ただし,崩壊パターンには種々のものがあり,他の要素(崩壊時の気泡の膜厚,膜の振動状態等)が大きく影響しており,ばらつきが大きくなった。その他,崩壊現象に関する詳細な観察を行った。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1995年 -1995年 
    代表者 : 竹原 幸生
     
    水表面での気体輸送と流れ場の同時可視化計測を目的として、炭酸ガスの溶入過程の定量可視化計測法の開発,および流れ場の高精度可視化計測法を開発した。 (1)フルオレセイン水溶液の蛍光強度のpH依存性による炭酸ガスの濃度場の可視化法の開発 水中の溶存炭酸ガス濃度と流れ場の同時可視化計測のために,フルオレセイン水溶液の蛍光強度のpH依存性を利用した溶存炭酸ガス濃度可視化計測法を開発した。 (2)光3分割撮影装置の開発 1つのレンズ系から入った画像を1/3,1/2のハーフプリズムを用いて3台のビデオカメラで撮影できる光3分割撮影装置を開発した。各カメラの受光面の前には光学フィルターをセットすることができ,光波長を分割した画像を撮影することができる。 (3)マイクロパーティクルトレーサー粒子の開発 水表面極近傍の流れ場のトレーサー粒子として,数十μmのプラスチック粒子(マイクロパーティクル)の作成法を開発した。 (4)カルマンフィルターとχ^2検定を用いた多数の粒子の自動追跡アルゴリズムの開発 PTV(Particle Tracking Velocimetry)のために,統計,確率学的基礎に基づいたカルマンフィルターとχ^2検定を用いた3次元自動粒子追跡アルゴリズムを開発した。 (5)高精度粒子画像情報抽出法(粒子マスク相関法)の開発 PTVのための高精度粒子画像情報抽出法として、粒子マスク相関法を開発した。 開発した可視化手法の適用例として,渦輪を水底より発生させ水表面に衝突させた場合の炭酸ガスの溶入過程の可視化を行った。また,比重0.95のマイクロパーティクルによる水表面の水中への取り込み過程を可視化した。
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1994年 -1995年 
    代表者 : 江藤 剛治; 横山 雄一; 竹原 幸生
     
    水と水中移動物体の相互運動の計測を目的として,水中物体と水の屈折率整合法を開発した。同時に,可視化計測法の高精度化を行った。 1.低屈折率透明体と水の屈折率整合法の開発 ヨウ化ナトリウム等の薬品を加え,水の屈折率を上げることにより,シリコンゴム等の低屈折率透明体と水の屈折率を整合させる方法を開発した。 2.水中を浮遊する球体とその周囲の流れ計測法の開発 シリコンゴムにより直径数センチの透明球を作製する方法として,シリコンゴムに比重を合わせたアルコール水溶液中にシリコンゴムを分散させる手法を開発した。 3.カルマンフィルターとχ^2検定を用いた多数の粒子の自動追跡アルゴリズムの開発 PTV(Particle Tracking Velocimetry)のために,統計,確率学的基礎に基づいたカルマンフィルターとχ^2検定を用いた3次元自動粒子追跡アルゴリズムを開発した。 4.高精度粒子画像情報注出法(粒子マスク相関法)の開発 PTVのための高精度粒子画像情報注出法として,粒子マスク相関法を開発した。 5トレーサー粒子と水の比重整合法の開発 5.トレーサー粒子の比重整合法として,芯物質が周囲と同じ水,膜が比重を調節した薄いプラスチック膜でできたマイクロカプセルを開発した。 6.移動物体の自動追跡撮影装置 ビデオカメラで撮影された画像から移動物体を認知し,その移動量を画像解析し,ビデオカメラ自身を移動させるシステムを開発した。 7.計測上のノ-ハウの整理
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1992年 -1993年 
    代表者 : 江藤 剛治; 竹原 幸生; 椿 隆行
     
    流れ計測においては現在,レーザ流速計やPTV(Particle Tracking Velocimetry)のような光学計測技術が最も有効な計測技術となっている。しかし土石流,地震時の砂の液状化,移動床水理等の実験においては,固体粒子が光を遮ったり,屈折させるために,このような光計測技術を適用することができず,現象を理解する上で大きな妨げとなっている。 本研究では,石英ガラスの屈折率1.458よりも屈折率の低い透明体と,水(屈折率1.333)に粘性等を大きく変えない溶質を溶かし屈折率を上げた高屈折率水溶液を用いて,両者の屈折率を合わせることにより,固体粒子を浮遊する流れの光学計測を可能にする技術を開発してきた。 現在のところ,低屈折率透明体としてシリコンゴムの1種,高屈折率水溶液としてヨウ化ナトリウムもしくはヨウ化カリウム水溶液を使う方法が有効であることがわかった。 実際に水理実験を行うには次のような物性を知る必要がある。これらを計測し水理実験に使いやすいように整理した。 1.力学特性:密度,溶液の粘性,透明体の弾性係数等。およびそれらの温度依存性等。 2.光学特性:透明度,屈折率,界面反射率等。およびそれらの温度,波長依存性等。 3.電気的特性:誘電率,電気抵抗等。容量式水位計など電気・電子計測機器の併用のために必要。 4.化学的特性:他の溶質との反応性や化学的安定性等。 5.取り扱い上の注意:毒性(この場合ほとんどない),防錆上の注意,廃水処理等。 (以上18行×40字=720字)
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1992年 -1992年 
    代表者 : 竹原 幸生
  • 日本学術振興会：科学研究費助成事業
    研究期間 : 1991年 -1991年 
    代表者 : 竹原 幸生
  • 水表面での気体輸送
  • 流れの可視化画像計測法の開発
  • Gas transfer at water surfaces
  • Development of methods to measure flow fields by using image processing

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