Prędkość obrazu cząstek

Prędkość obrazu cząstek ( PIV ) to optyczna metoda wizualizacji przepływu wykorzystywana w edukacji i badaniach. Służy do uzyskiwania prędkości chwilowej i związanych z nią właściwości płynów . Płyn jest zaszczepiony cząstkami wskaźnikowymi , które przy wystarczająco małych cząstkach zakłada się, że wiernie podążają za dynamiką przepływu (stopień, w jakim cząstki wiernie podążają za przepływem, jest reprezentowany przez liczbę Stokesa ). Płyn z porwanymi cząstkami jest oświetlany, dzięki czemu cząstki są widoczne. Ruch cząstek zaszczepiających jest wykorzystywany do obliczenia prędkości i kierunku ( pola prędkości ) badanego przepływu.

Inne techniki stosowane do pomiaru przepływów to laserowa prędkość dopplerowska i anemometria z gorącym drutem . Główna różnica między PIV a tymi technikami polega na tym, że PIV wytwarza dwuwymiarowe lub nawet trójwymiarowe pola wektorowe , podczas gdy inne techniki mierzą prędkość w punkcie. Podczas PIV stężenie cząstek jest takie, że możliwe jest zidentyfikowanie poszczególnych cząstek na obrazie, ale nie ma pewności, czy można je śledzić między obrazami. Kiedy stężenie cząstek jest tak niskie, że możliwe jest podążanie za pojedynczą cząstką, nazywa się to Prędkość śledzenia cząstek , podczas gdy prędkość plamki laserowej jest stosowana w przypadkach, gdy stężenie cząstek jest tak wysokie, że trudno jest zaobserwować poszczególne cząstki na obrazie.

Typowe urządzenie PIV składa się z kamery (zwykle jest to kamera cyfrowa z chipem CCD w nowoczesnych systemach), stroboskopu lub lasera z układem optycznym ograniczającym oświetlany obszar fizyczny (zwykle cylindryczna soczewka przekształcająca wiązkę światła w linię), synchronizator działający jako zewnętrzny wyzwalacz do sterowania kamerą i laserem, cząstkami zasiewającymi i badanym płynem . Kabel światłowodowy lub płynny przewodnik świetlny może łączyć laser z konfiguracją obiektywu. Oprogramowanie PIV służy do post-processingu obrazów optycznych.

Historia

Chociaż metoda dodawania cząstek lub obiektów do płynu w celu obserwacji jego przepływu była prawdopodobnie stosowana od czasu do czasu na przestrzeni wieków, nie jest znane trwałe stosowanie tej metody. Pierwszym, który wykorzystał cząstki do badania płynów w bardziej systematyczny sposób, był Ludwig Prandtl na początku XX wieku.

Laserowa prędkość dopplerowska poprzedza PIV jako laserowo-cyfrowy system analizy, który stał się powszechny w badaniach i zastosowaniach przemysłowych. Zdolny do uzyskania wszystkich pomiarów prędkości płynu w określonym punkcie, można go uznać za bezpośredniego poprzednika dwuwymiarowego PIV. Sam PIV ma swoje korzenie w laserowej prędkości plamkowej, technice, z którą kilka grup zaczęło eksperymentować pod koniec lat siedemdziesiątych. We wczesnych latach 80-tych odkryto, że korzystne jest zmniejszenie stężenia cząstek do poziomu, przy którym można było zaobserwować poszczególne cząstki. Przy tych gęstościach cząstek zauważono ponadto, że łatwiej było badać przepływy, jeśli podzielono je na wiele bardzo małych obszarów „badanych”, które można było analizować indywidualnie w celu wygenerowania jednej prędkości dla każdego obszaru. Obrazy były zwykle rejestrowane za pomocą aparatów analogowych i wymagała ogromnej mocy obliczeniowej do analizy.

Wraz z rosnącą mocą komputerów i powszechnym stosowaniem kamer ze sprzężeniem ładunkowym (CCD), cyfrowy PIV staje się coraz bardziej powszechny, do tego stopnia, że jest obecnie podstawową techniką.

Sprzęt i aparatura

Cząstki wysiewu

Zastosowanie PIV w spalaniu

Cząsteczki zaszczepiające są z natury krytycznym składnikiem systemu PIV. W zależności od badanego płynu, cząstki muszą być w stanie dość dobrze dopasować się do właściwości płynu. W przeciwnym razie nie będą wystarczająco podążać za przepływem, aby można było uznać analizę PIV za dokładną. Idealne cząstki będą miały taką samą gęstość jak stosowany układ płynów i będą kuliste (te cząstki nazywane są mikrosferami ). Podczas gdy rzeczywisty wybór cząstek zależy od rodzaju płynu, na ogół do badań makro PIV są to kulki szklane , polistyren , polietylenu , płatków aluminium lub kropelek oleju (jeśli badany płyn jest gazem ). Współczynnik załamania światła dla cząstek zaszczepiających powinien być różny od płynu, który zaszczepiają, tak aby arkusz lasera padający na strumień płynu odbijał się od cząstek i był rozpraszany w kierunku kamery.

Cząstki mają zazwyczaj średnicę rzędu 10 do 100 mikrometrów. Jeśli chodzi o rozmiar, cząstki powinny być wystarczająco małe, aby czas reakcji cząstek na ruch płynu był wystarczająco krótki, aby dokładnie podążać za przepływem, a jednocześnie wystarczająco duży, aby rozproszyć znaczną ilość padającego światła laserowego. W przypadku niektórych eksperymentów obejmujących spalanie, rozmiar cząstek zaszczepiających może być mniejszy, rzędu 1 mikrometra, aby uniknąć efektu gaszenia, jaki cząstki obojętne mogą mieć na płomienie. Ze względu na mały rozmiar cząstek, w ruchu cząstek dominują siły i oporu uderzeniowego osiadające lub wznoszące się afekty. W modelu, w którym cząstki są modelowane jako sferyczne ( mikrosfery ) przy bardzo niskiej liczbie Reynoldsa , zdolność cząstek do podążania za przepływem płynu jest odwrotnie proporcjonalna do różnicy gęstości między cząstkami a płynem, a także odwrotnie proporcjonalna do kwadrat ich średnicy. Światło rozproszone z cząstek jest zdominowane przez rozpraszanie Mie , a zatem jest również proporcjonalne do kwadratu średnic cząstek. Dlatego wielkość cząstek musi być zrównoważona, aby dokładnie rozproszyć wystarczającą ilość światła wizualizować wszystkie cząstki w płaszczyźnie arkusza lasera, ale wystarczająco małe, aby dokładnie podążać za przepływem.

Mechanizm zaszczepiający musi być również zaprojektowany tak, aby zasiewać przepływ w wystarczającym stopniu bez nadmiernego zakłócania przepływu.

Kamera

Aby przeprowadzić analizę PIV przepływu, wymagane są dwie ekspozycje światła laserowego na kamerę z przepływu. Pierwotnie, z powodu niezdolności kamer do przechwytywania wielu klatek z dużą szybkością, obie ekspozycje były rejestrowane na tej samej klatce i ta pojedyncza klatka była używana do określenia przepływu. Do tej analizy wykorzystano proces zwany autokorelacją . Jednak w wyniku autokorelacji kierunek przepływu staje się niejasny, ponieważ nie jest jasne, które plamy cząstek pochodzą z pierwszego impulsu, a które z drugiego impulsu. Szybsze aparaty cyfrowe opracowano układy CCD lub CMOS , które mogą przechwytywać dwie klatki z dużą szybkością z różnicą kilkuset ns między klatkami. Umożliwiło to wyizolowanie każdej ekspozycji na osobnej klatce w celu dokładniejszej korelacji krzyżowych . Ograniczeniem typowych aparatów jest to, że ta szybkość jest ograniczona do pary ujęć. Wynika to z faktu, że każda para zdjęć musi zostać przesłana do komputera, zanim będzie można wykonać kolejną parę zdjęć. Typowe aparaty mogą wykonać tylko parę zdjęć ze znacznie mniejszą szybkością. Dostępne są szybkie kamery CCD lub CMOS, ale są one znacznie droższe.

Laser i optyka

W konfiguracjach makro PIV przeważają lasery ze względu na ich zdolność do wytwarzania wiązek światła o dużej mocy i krótkich czasach trwania impulsu. Daje to krótkie czasy naświetlania dla każdej klatki. Lasery Nd:YAG , powszechnie stosowane w konfiguracjach PIV, emitują głównie fale o długości 1064 nm i ich harmoniczne (532, 266 itd.). Ze względów bezpieczeństwa emisja lasera jest zazwyczaj filtrowana pasmowo , aby wyizolować harmoniczne 532 nm (jest to zielone światło). , jedyna harmoniczna widoczna gołym okiem). Kabel światłowodowy lub płynny przewodnik świetlny może być użyty do skierowania światła laserowego na układ eksperymentalny.

Optyka składa się z kombinacji soczewek sferycznych i cylindrycznych . Soczewka cylindryczna rozszerza laser do płaszczyzny, podczas gdy soczewka sferyczna ściska płaszczyznę w cienki arkusz. Ma to kluczowe znaczenie, ponieważ technika PIV nie może generalnie mierzyć ruchu prostopadłego do arkusza laserowego, więc idealnie jest to wyeliminowane przez zachowanie całkowicie dwuwymiarowego arkusza laserowego. Soczewka sferyczna nie może skompresować arkusza lasera do rzeczywistej płaszczyzny 2-wymiarowej. Minimalna grubość jest rzędu długości fali światła laserowego i występuje w skończonej odległości od układu optyki (ognisko soczewki sferycznej). Jest to idealne miejsce na umieszczenie obszaru analizy eksperymentu.

Należy również wybrać odpowiedni obiektyw do kamery, aby odpowiednio ustawić ostrość i wizualizację cząstek w badanym obszarze.

Synchronizator

Synchronizator działa jako zewnętrzny wyzwalacz zarówno dla kamery, jak i lasera. Natomiast układy analogowe w postaci fotosensora z obrotową przysłoną i źródła światła były używane w przeszłości, większość obecnie używanych systemów jest cyfrowa. Kontrolowany przez komputer synchronizator może dyktować taktowanie każdej klatki sekwencji kamery CCD w połączeniu z odpaleniem lasera z dokładnością do 1 ns. W ten sposób czas między każdym impulsem lasera a umieszczeniem strzału laserowego w odniesieniu do taktowania kamery może być dokładnie kontrolowany. Znajomość tego czasu ma kluczowe znaczenie, ponieważ jest potrzebna do określenia prędkości płynu w analizie PIV. Samodzielne synchronizatory elektroniczne, zwane cyfrowymi generatorami opóźnień , oferują zmienną taktowanie rozdzielczości od zaledwie 250 ps do nawet kilku ms. Dzięki maksymalnie ośmiu kanałom zsynchronizowanego taktowania oferują środki do sterowania kilkoma lampami błyskowymi i przełącznikami Q, a także umożliwiają wielokrotną ekspozycję aparatu.

Analiza

Analiza PIV pary wirów. Powiększenie w lewym górnym rogu pokazuje wzrost rozdzielczości przestrzennej, który można osiągnąć za pomocą nowoczesnej techniki wieloprzebiegowej deformacji okna.

Ramki są podzielone na dużą liczbę obszarów przesłuchań lub okien. Możliwe jest wówczas obliczenie wektora przemieszczenia dla każdego okna za pomocą przetwarzania sygnału i technik autokorelacji lub korelacji krzyżowej . Jest to konwertowane na prędkość na podstawie czasu między strzałami lasera i fizycznego rozmiaru każdego piksela w aparacie. Rozmiar okna przesłuchań powinien być dobrany tak, aby średnio na okno przypadało co najmniej 6 cząstek. Wizualny przykład analizy PIV można zobaczyć tutaj.

Synchronizator kontroluje synchronizację między ekspozycjami obrazu, a także umożliwia pozyskiwanie par obrazów w różnych momentach w trakcie przepływu. Dla dokładnej analizy PIV idealnie jest, aby obszar przepływu, który jest przedmiotem zainteresowania, wykazywał średnie przemieszczenie cząstek wynoszące około 8 pikseli. Jest to kompromis między dłuższym odstępem czasowym, który pozwoliłby cząsteczkom na dalszą podróż między ramkami, utrudniając identyfikację, które okno przesłuchań dotarło do którego punktu, a krótszym odstępem czasowym, który mógłby nadmiernie utrudnić identyfikację jakiegokolwiek przemieszczenia w obrębie przepływ.

Rozproszone światło z każdej cząstki powinno znajdować się w obszarze od 2 do 4 pikseli w poprzek obrazu. Jeśli rejestrowany jest zbyt duży obszar, rozmiar obrazu cząstek spada i może wystąpić blokowanie pików z utratą precyzji subpikselowej. Istnieją metody przezwyciężenia efektu blokowania pików, ale wymagają one dodatkowej pracy.

Analiza PIV utkniętej płaskiej płyty, nałożona szybkość ścinania

Jeśli firma ma doświadczenie w PIV i czas na opracowanie systemu, nawet jeśli nie jest to trywialne, możliwe jest zbudowanie niestandardowego systemu PIV. Systemy PIV klasy badawczej są jednak wyposażone w lasery o dużej mocy i zaawansowane specyfikacje kamer, dzięki czemu są w stanie wykonywać pomiary z najszerszym spektrum eksperymentów wymaganych w badaniach.

Przykład analizy PIV bez instalacji [1]

PIV jest ściśle powiązany z cyfrową korelacją obrazu , techniką pomiaru przemieszczenia optycznego, która wykorzystuje techniki korelacji do badania deformacji materiałów stałych.

Za I przeciw

Zalety

Metoda jest w dużym stopniu nieinwazyjna. Dodane znaczniki (jeśli są odpowiednio dobrane) generalnie powodują znikome zniekształcenie przepływu płynu.

Pomiar optyczny eliminuje potrzebę stosowania rurek Pitota , anemometrów z gorącym drutem lub innych uciążliwych sond do pomiaru przepływu . Sposób umożliwia jednoczesny pomiar całego dwuwymiarowego przekroju poprzecznego (geometrii) pola przepływu.

Szybkie przetwarzanie danych pozwala na generowanie dużej liczby par obrazów, które na komputerze osobistym mogą być analizowane w czasie rzeczywistym lub w późniejszym czasie, uzyskując dużą ilość niemal ciągłych informacji.

subpikseli zapewniają wysoki stopień dokładności, ponieważ każdy wektor jest średnią statystyczną dla wielu cząstek w danym kafelku. Przemieszczenie może zazwyczaj być dokładne do 10% jednego piksela na płaszczyźnie obrazu.

Wady

W niektórych przypadkach cząstki, ze względu na ich większą gęstość, nie będą idealnie podążać za ruchem płynu ( gaz / ciecz ). Jeśli na przykład przeprowadza się eksperymenty w wodzie, łatwo można znaleźć bardzo tanie cząstki (np. proszek z tworzywa sztucznego o średnicy ~60 µm) o takiej samej gęstości jak woda. Jeśli gęstość nadal nie pasuje, gęstość płynu można wyregulować, zwiększając/zmniejszając jego temperaturę. Prowadzi to do niewielkich zmian liczby Reynoldsa, więc prędkość płynu lub rozmiar obiektu doświadczalnego muszą zostać zmienione, aby to uwzględnić.

Metody pomiaru prędkości obrazu cząstek na ogół nie będą w stanie mierzyć składowych wzdłuż osi Z (w kierunku do/od kamery). Składowe te mogą nie tylko zostać pominięte, ale mogą również wprowadzić zakłócenia w danych dla składowych x/y spowodowane przez paralaksę. Te problemy nie występują w stereoskopowym PIV, który wykorzystuje dwie kamery do pomiaru wszystkich trzech składowych prędkości.

Ponieważ otrzymane wektory prędkości są oparte na korelacji krzyżowej rozkładów intensywności na małych obszarach przepływu, otrzymane pole prędkości jest uśrednioną przestrzennie reprezentacją rzeczywistego pola prędkości. Ma to oczywiście konsekwencje dla dokładności pochodnych przestrzennych pola prędkości, wirowości i przestrzennych funkcji korelacji , które często wyprowadza się z pól prędkości PIV.

Systemy PIV wykorzystywane w badaniach często wykorzystują lasery klasy IV i szybkie kamery o wysokiej rozdzielczości, co wiąże się z ograniczeniami w zakresie kosztów i bezpieczeństwa.

Bardziej złożone konfiguracje PIV

Stereoskopowy PIV

Stereoskopowy PIV wykorzystuje dwie kamery z oddzielnymi kątami widzenia , aby wyodrębnić przemieszczenie w osi Z. Obie kamery muszą być ustawione na to samo miejsce w przepływie i muszą być odpowiednio skalibrowane, aby uzyskać ten sam punkt ostrości.

W podstawowej mechanice płynów przemieszczenia w jednostce czasu w kierunkach X, Y i Z są zwykle definiowane przez zmienne U, V i W. Jak opisano wcześniej, podstawowy PIV wyodrębnia przemieszczenia U i V jako funkcje płaszczyzny Kierunki X i Y. Umożliwia to obliczenia ${\ Displaystyle U_ {x}}$ , ${\ Displaystyle V_ {y}}$ , ${\ Displaystyle U_ {y}}$ i ${\ Displaystyle V_ {x}}$ gradienty prędkości. Jednak pozostałych 5 wyrazów tensora gradientu prędkości nie można znaleźć na podstawie tych informacji. Stereoskopowa analiza PIV zapewnia również składową przemieszczenia osi Z, W, w obrębie tej płaszczyzny. $W_ {y}}$ prędkość płynu w osi Z na płaszczyźnie zainteresowania, ale można określić jeszcze dwa składniki gradientu prędkości: y $displaystyle$ . Składowe gradientu prędkości ${\ Displaystyle U_ {z}}$ , ${\ Displaystyle V_ {z}}$ i $można$ . Składowe gradientu prędkości tworzą tensor:

{\ Displaystyle {\ rozpocząć {bmatrix} U_ {x} i U_ {y} i U_ {z} \\ V_ {x} i V_ {y }&V_{z}\\W_{x}&W_{y}&W_{z}\\\end{bmacierz}}}

Dwupłaszczyznowy stereoskopowy PIV

Jest to rozszerzenie stereoskopowego PIV poprzez dodanie drugiej płaszczyzny badania bezpośrednio przesuniętej względem pierwszej. Do tej analizy wymagane są cztery kamery. Dwie płaszczyzny światła laserowego powstają poprzez rozdzielenie emisji lasera za pomocą rozdzielacza wiązki na dwie wiązki. Każda wiązka jest następnie spolaryzowana prostopadle względem siebie. Następnie są transmitowane przez układ optyczny i wykorzystywane do jednoczesnego oświetlenia jednej z dwóch płaszczyzn.

Cztery kamery są sparowane w grupy po dwie. Każda para skupia się na jednym z arkuszy lasera w taki sam sposób, jak w przypadku jednopłaszczyznowego stereoskopowego PIV. Każda z czterech kamer ma filtr polaryzacyjny zaprojektowany tak, aby przepuszczać tylko spolaryzowane światło rozproszone z odpowiednich płaszczyzn zainteresowania. Zasadniczo tworzy to system, w którym dwie oddzielne stereoskopowe konfiguracje analizy PIV są uruchamiane jednocześnie z minimalną odległością między interesującymi płaszczyznami.

$\ displaystyle V_ {z$ których jednopłaszczyznowy stereoskopowy PIV nie mógł obliczyć: ${\ displaystyle U_ {z}}$ , V $}$ . Dzięki tej technice można określić ilościowo cały tensor gradientu prędkości płynu na dwuwymiarowej płaszczyźnie będącej przedmiotem zainteresowania. Pojawia się trudność polegająca na tym, że arkusze lasera powinny być utrzymywane wystarczająco blisko siebie, aby przybliżać płaszczyznę dwuwymiarową, ale przesunięte na tyle, aby można było znaleźć znaczące gradienty prędkości w kierunku z.

Wielopłaszczyznowy stereoskopowy PIV

Dostępnych jest kilka rozszerzeń koncepcji dwupłaszczyznowego stereoskopowego PIV. Istnieje możliwość stworzenia kilku równoległych arkuszy laserowych za pomocą zestawu rozdzielaczy wiązki i płytek ćwierćfalowych, zapewniając trzy lub więcej płaszczyzn, przy użyciu pojedynczej jednostki laserowej i stereoskopowej konfiguracji PIV, zwanej XPIV

Mikro PIV

Za pomocą mikroskopu epifluorescencyjnego można analizować przepływy mikroskopowe. MicroPIV wykorzystuje cząsteczki fluorescencyjne, które wzbudzają się przy określonej długości fali i emitują przy innej długości fali. Światło lasera odbija się przez lustro dichroiczne, przechodzi przez soczewkę obiektywu, która skupia się na interesującym miejscu i oświetla obszar regionalny. Emisja cząstek wraz z odbitym światłem lasera odbija się z powrotem przez obiektyw, lustro dichroiczne i filtr emisji, który blokuje światło lasera. Podczas gdy PIV czerpie swoje właściwości analizy 2-wymiarowej z płaskiej natury arkusza laserowego, microPIV wykorzystuje zdolność soczewki obiektywu do skupiania się tylko na jednej płaszczyźnie na raz, tworząc w ten sposób dwuwymiarową płaszczyznę widocznych cząstek.

Cząsteczki MicroPIV mają średnicę rzędu kilkuset nm, co oznacza, że są niezwykle podatne na ruchy Browna. Dlatego dla tej techniki należy zastosować specjalną technikę analizy uśredniania zespołowego. Korelacje krzyżowe serii podstawowych analiz PIV są uśredniane razem w celu określenia rzeczywistego pola prędkości. W ten sposób można badać tylko stałe przepływy. Należy również zastosować specjalne techniki wstępnego przetwarzania, ponieważ obrazy mają tendencję do zerowego odchylenia od szumu tła i niskiego stosunku sygnału do szumu. Zwykle stosuje się również obiektywy o dużej aperturze numerycznej, aby uchwycić maksymalną możliwą emisję światła. Wybór optyki jest również krytyczny z tych samych powodów.

Holograficzny PIV

Holograficzny PIV (HPIV) obejmuje różnorodne techniki eksperymentalne, które wykorzystują interferencję spójnego światła rozproszonego przez cząstkę i wiązkę odniesienia do kodowania informacji o amplitudzie i fazie rozproszonego światła padającego na płaszczyznę czujnika. Ta zakodowana informacja, znana jako hologram , może być następnie wykorzystana do zrekonstruowania pierwotnego pola natężenia poprzez oświetlenie hologramu oryginalną wiązką odniesienia metodami optycznymi lub cyfrowymi przybliżeniami. Pole intensywności jest badane przy użyciu trójwymiarowych technik korelacji krzyżowej w celu uzyskania pola prędkości.

Off-axis HPIV wykorzystuje oddzielne wiązki, aby zapewnić obiekt i fale odniesienia. Ta konfiguracja jest używana, aby uniknąć generowania szumu plamkowego w wyniku interferencji dwóch fal w ośrodku rozpraszającym, co miałoby miejsce, gdyby obie były propagowane przez ośrodek. Eksperyment poza osią jest bardzo złożonym układem optycznym zawierającym liczne elementy optyczne, a czytelnika odsyła się do przykładowego schematu w Sheng et al. dla pełniejszej prezentacji.

Holografia liniowa to kolejne podejście, które zapewnia pewne wyjątkowe korzyści w obrazowaniu cząstek. Być może największym z nich jest użycie światła rozproszonego do przodu, które jest o rząd wielkości jaśniejsze niż rozpraszanie zorientowane prostopadle do kierunku wiązki. Ponadto konfiguracja optyczna takich systemów jest znacznie prostsza, ponieważ światło resztkowe nie musi być oddzielane i ponownie łączone w innym miejscu. Konfiguracja liniowa zapewnia również stosunkowo łatwe rozszerzenie zastosowania czujników CCD, tworząc oddzielną klasę eksperymentów znaną jako cyfrowa holografia liniowa. Złożoność takich konfiguracji przenosi się z konfiguracji optycznej na przetwarzanie obrazu, które obejmuje wykorzystanie symulowanych wiązek odniesienia. Dalsze omówienie tych tematów wykracza poza zakres tego artykułu i jest omówione w Arroyo i Hinsch

Różnorodne problemy obniżają jakość wyników HPIV. Pierwsza klasa zagadnień dotyczy samej odbudowy. W holografii zwykle przyjmuje się, że fala obiektu cząstki jest kulista; jednak ze względu na teorię rozpraszania Mie fala ta ma złożony kształt, który może zniekształcić zrekonstruowaną cząstkę. Innym problemem jest obecność znacznego szumu plamkowego, który obniża ogólny stosunek sygnału do szumu obrazów cząstek. Efekt ten jest bardziej niepokojący w przypadku systemów holograficznych w linii, ponieważ wiązka odniesienia jest propagowana w objętości wraz z wiązką rozproszonego obiektu. Hałas może być również wprowadzany przez zanieczyszczenia w ośrodku rozpraszającym, takie jak wahania temperatury i skazy okien. Ponieważ holografia wymaga spójnego obrazowania, efekty te są znacznie poważniejsze niż w przypadku tradycyjnych warunków obrazowania. Połączenie tych czynników zwiększa złożoność procesu korelacji. W szczególności szum plamkowy w zapisie HPIV często uniemożliwia zastosowanie tradycyjnych metod korelacji opartych na obrazie. Zamiast tego wdrażana jest identyfikacja i korelacja pojedynczych cząstek, co wyznacza limity gęstości liczbowej cząstek. Bardziej wyczerpujący zarys tych źródeł błędów podano w Meng et al.

W świetle tych zagadnień może się wydawać, że metoda HPIV jest zbyt skomplikowana i podatna na błędy, aby można ją było stosować do pomiarów przepływu. Jednak wiele imponujących wyników uzyskano za pomocą wszystkich podejść holograficznych. Svizher i Cohen wykorzystali hybrydowy system HPIV do badania fizyki wirów spinki do włosów. Tao i in. zbadali wyrównanie wirowości i tensorów szybkości odkształcania w turbulencjach o dużej liczbie Reynoldsa. Jako ostatni przykład, Sheng i in. wykorzystali mikroskopię holograficzną do wykonania pomiarów przyściennych turbulentnego naprężenia ścinającego i prędkości w turbulentnych warstwach granicznych.

Skanowanie PIV

Wykorzystując obracające się lustro, szybką kamerę i korygując zmiany geometryczne, PIV można wykonać niemal natychmiast na zestawie płaszczyzn w całym polu przepływu. Właściwości płynu między płaszczyznami można następnie interpolować. W ten sposób można przeprowadzić analizę quasi-objętościową na objętości docelowej. Skanowanie PIV można przeprowadzić w połączeniu z innymi opisanymi metodami 2-wymiarowego PIV w celu przybliżenia trójwymiarowej analizy wolumetrycznej.

Tomograficzny PIV

Tomograficzny PIV opiera się na oświetleniu, rejestracji i rekonstrukcji cząstek znacznika w trójwymiarowej objętości pomiarowej. Technika ta wykorzystuje kilka kamer do jednoczesnego rejestrowania obrazów oświetlonej objętości, które są następnie rekonstruowane w celu uzyskania zdyskretyzowanego trójwymiarowego pola intensywności. Parę pól intensywności analizuje się za pomocą algorytmów korelacji krzyżowej 3-D w celu obliczenia pola prędkości 3-D, 3-C w objętości. Technika ta została pierwotnie opracowana przez Elsingę i in. w 2006 roku.

Procedura rekonstrukcji jest złożonym, niedookreślonym problemem odwrotnym. ^{[ Potrzebne źródło ]} Główną komplikacją jest to, że jeden zestaw widoków może wynikać z dużej liczby trójwymiarowych tomów. Procedury prawidłowego określania objętości unikalnej ze zbioru widoków są podstawą dziedziny tomografii. W większości eksperymentów Tomo-PIV stosowana jest technika multiplikatywnej rekonstrukcji algebraicznej (MART). Zaletą tej techniki rekonstrukcji piksel po pikselu jest to, że pozwala uniknąć konieczności identyfikacji poszczególnych cząstek. ^{[ potrzebne źródło ]} Rekonstrukcja zdyskretyzowanego trójwymiarowego pola intensywności wymaga intensywnych obliczeń i poza MART kilka rozwiązań miało na celu znaczne zmniejszenie tego kosztu obliczeniowego, na przykład technika multiplikatywnej multiplikatywnej rekonstrukcji algebraicznej z wieloma liniami wzroku (MLOS-SMART), która wykorzystuje rzadkość pola intensywności 3-D w celu zmniejszenia wymagań dotyczących przechowywania pamięci i obliczeń.

Z reguły do uzyskania akceptowalnej dokładności rekonstrukcji potrzebne są co najmniej cztery kamery, a najlepsze wyniki uzyskuje się, gdy kamery są ustawione pod kątem około 30 stopni w kierunku normalnym do objętości pomiarowej. Aby eksperyment zakończył się sukcesem, należy wziąć pod uwagę wiele dodatkowych czynników. ^{[ potrzebne źródło ]}

Tomo-PIV został zastosowany do szerokiego zakresu przepływów. Przykłady obejmują strukturę interakcji turbulentnej warstwy granicznej / fali uderzeniowej, wirowość śladu cylindra lub pochylonego płata, eksperymenty aeroakustyczne pręt-płat oraz pomiar mikroprzepływów na małą skalę. Niedawno Tomo-PIV został użyty razem z trójwymiarową śledzącą prędkość cząstek, aby zrozumieć interakcje drapieżnik-ofiara, a przenośna wersja Tomo-PIV została wykorzystana do badania unikalnych organizmów pływających na Antarktydzie.

Termograficzny PIV

Termograficzny PIV opiera się na wykorzystaniu termograficznych luminoforów jako cząstek zaszczepiających. Zastosowanie tych termograficznych luminoforów umożliwia jednoczesny pomiar prędkości i temperatury w przepływie.

Lumifory termograficzne składają się z ceramicznych materiałów macierzystych domieszkowanych jonami metali ziem rzadkich lub metali przejściowych, które wykazują fosforescencję, gdy są oświetlone światłem UV. Czas zaniku i widma tej fosforescencji są wrażliwe na temperaturę i oferują dwie różne metody pomiaru temperatury. Metoda czasu zaniku polega na dopasowaniu zaniku fosforescencji do funkcji wykładniczej i jest zwykle stosowana w pomiarach punktowych, chociaż wykazano to w pomiarach powierzchniowych. Stosunek intensywności między dwiema różnymi liniami widmowymi emisji fosforescencji, śledzony za pomocą filtrów widmowych, jest również zależny od temperatury i może być wykorzystany do pomiarów powierzchni.

Cząsteczki luminoforu wielkości mikrometrów stosowane w termograficznej PIV są wprowadzane do strumienia jako znacznik, a po oświetleniu cienką warstwą światła laserowego można zmierzyć temperaturę cząstek na podstawie fosforescencji, zwykle stosując technikę stosunku intensywności. Ważne jest, aby cząsteczki były małych rozmiarów, aby nie tylko zadowalająco podążały za przepływem, ale także szybko przyjmowały jego temperaturę. Dla średnicy 2 µm poślizg termiczny między cząstką a gazem jest tak mały jak poślizg prędkości.

Oświetlenie luminoforu uzyskuje się za pomocą światła UV. Większość luminoforów termograficznych pochłania światło w szerokim paśmie UV i dlatego można je wzbudzać za pomocą lasera YAG:Nd. Teoretycznie to samo światło może być używane zarówno do pomiarów PIV, jak i temperatury, ale oznaczałoby to, że potrzebne są kamery czułe na promieniowanie UV. W praktyce nakładają się na siebie dwie różne wiązki pochodzące z oddzielnych laserów. Podczas gdy jedna z wiązek służy do pomiaru prędkości, druga służy do pomiaru temperatury.

Zastosowanie luminoforów termograficznych oferuje kilka korzystnych cech, w tym zdolność przetrwania w środowiskach reaktywnych i wysokich temperaturach, stabilność chemiczną i niewrażliwość ich emisji fosforescencji na ciśnienie i skład gazu. Ponadto luminofory termograficzne emitują światło o różnych długościach fal, umożliwiając spektralną dyskryminację światła wzbudzającego i tła.

Termograficzny PIV został zademonstrowany dla pomiarów uśrednionych w czasie i pojedynczych strzałów. Ostatnio z powodzeniem wykonano również pomiary czasowo-rozdzielcze z dużą prędkością (3 kHz).

Sztuczna Inteligencja PIV

Wraz z rozwojem sztucznej inteligencji pojawiły się publikacje naukowe i komercyjne oprogramowanie proponujące obliczenia PIV oparte na głębokim uczeniu i konwolucyjnych sieciach neuronowych. Zastosowana metodologia wywodzi się głównie z sieci neuronowych z przepływem optycznym, popularnych w widzeniu maszynowym. Zestaw danych zawierający obrazy cząstek jest generowany w celu uczenia parametrów sieci. Rezultatem jest głęboka sieć neuronowa dla PIV, która może zapewnić oszacowanie gęstego ruchu, aż do maksymalnie jednego wektora na jeden piksel, jeśli pozwalają na to zarejestrowane obrazy. AI PIV obiecuje gęste pole prędkości, nieograniczone rozmiarem okna zapytania, co ogranicza tradycyjny PIV do jednego wektora na 16 x 16 pikseli.

Przetwarzanie w czasie rzeczywistym i zastosowania PIV

Wraz z postępem technologii cyfrowych stało się możliwe przetwarzanie i zastosowanie PIV w czasie rzeczywistym. Na przykład procesory graficzne mogą być używane do znacznego przyspieszenia bezpośrednich korelacji opartych na transformacie Fouriera pojedynczych okien przesłuchań. Podobnie wieloprocesorowe, równoległe lub wielowątkowe procesy na kilku procesorach lub procesorach wielordzeniowych są korzystne dla rozproszonego przetwarzania wielu okien przesłuchań lub wielu obrazów. Niektóre aplikacje wykorzystują metody przetwarzania obrazu w czasie rzeczywistym, takie jak kompresja obrazu w locie oparta na FPGA lub przetwarzanie obrazu. Niedawno zaimplementowano możliwości pomiaru i przetwarzania PIV w czasie rzeczywistym do wykorzystania w przyszłości w aktywnym sterowaniu przepływem ze sprzężeniem zwrotnym opartym na przepływie.

Aplikacje

PIV zastosowano w szerokim zakresie problemów z przepływem, od przepływu przez skrzydło samolotu w tunelu aerodynamicznym po tworzenie wirów w protezach zastawek serca. Poszukiwano technik trójwymiarowych do analizy przepływu turbulentnego i strumieni.

Podstawowe algorytmy PIV oparte na korelacji krzyżowej można wdrożyć w ciągu kilku godzin, podczas gdy bardziej zaawansowane algorytmy mogą wymagać znacznych nakładów czasu. Dostępnych jest kilka implementacji open source. Zastosowanie PIV w amerykańskim systemie edukacji zostało ograniczone ze względu na wysokie ceny i obawy dotyczące bezpieczeństwa przemysłowych systemów PIV klasy badawczej.

Granular PIV: pomiar prędkości w przepływach ziarnistych i lawinach

PIV można również wykorzystać do pomiaru pola prędkości swobodnej powierzchni i podstawowej granicy w przepływach ziarnistych, takich jak wstrząśnięte pojemniki, bębny i lawiny. Ta analiza jest szczególnie odpowiednia dla nieprzezroczystych mediów, takich jak piasek, żwir, kwarc lub inne materiały ziarniste, które są powszechne w geofizyce. To podejście PIV nazywa się „szczegółowym PIV”. Konfiguracja dla ziarnistego PIV różni się od zwykłej konfiguracji PIV tym, że optyczna struktura powierzchni, która jest wytwarzana przez oświetlenie powierzchni przepływu ziarnistego, jest już wystarczająca do wykrycia ruchu. Oznacza to, że nie trzeba dodawać cząstek znacznika do materiału sypkiego.

Zobacz też

Bibliografia

Raffel, M.; Willert, C.; Wereley, S.; Kompenhans, J. (2007). Prędkość obrazu cząstek: praktyczny przewodnik . Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-72307-3 .
Adrian, RJ; Westerweel, J. (2011). Prędkość obrazu cząstek . Wydawnictwo Uniwersytetu Cambridge . ISBN 978-0-521-44008-0 .

Notatki

Adrian, RJ (1991). „Techniki obrazowania cząstek dla eksperymentalnej mechaniki płynów”. Roczny przegląd mechaniki płynów . 23 (1): 261–304. Bibcode : 1991AnRFM..23..261A . doi : 10.1146/annurev.fl.23.010191.001401 .
Adrian, RJ (2005). „Dwadzieścia lat prędkościomierza obrazu cząstek”. Eksperymenty z płynami . 39 (2): 159–169. Bibcode : 2005ExFl...39..159A . CiteSeerX 10.1.1.578.9673 . doi : 10.1007/s00348-005-0991-7 . S2CID 37407798 .
Katz, J.; Sheng, J. (2010). „Zastosowania holografii w mechanice płynów i dynamice cząstek”. Roczny przegląd mechaniki płynów. 42 : 531-555. Bibcode: doi:10.1146/annurev-fluid-121108-145508.
Santiago, JG; Wereley, ST; Meinhart, CD; Pszczółka, DJ; Adrian, RJ (1998). „System prędkości obrazu mikrocząstek” . Eksperymenty z płynami . 25 (4): 316–319. CiteSeerX 10.1.1.126.466 . doi : 10.1007/s003480050235 . S2CID 123006803 .
Fouras, A.; Odkurzanie, J.; Lewis, R.; Hourigan, K. (2007). „Trójwymiarowa prędkość obrazu rentgenowskiego cząstek synchrotronowych”. Journal of Applied Physics . 102 (6): 064916–064916–6. Bibcode : 2007JAP...102f4916F . doi : 10.1063/1.2783978 .
Wereley, ST; Meinhart, CD (2010). „Najnowsze postępy w prędkości obrazu mikrocząstek” . Roczny przegląd mechaniki płynów . 42 (1): 557–576. Bibcode : 2010AnRFM..42..557W . doi : 10.1146/annurev-fluid-121108-145427 .

Linki zewnętrzne

Testy i pomiary w Curlie

Badania PIV w Laboratorium Doświadczalnej Dynamiki Płynów ( laboratorium J. Katz )