Velocimetrie obrazu částic - Particle image velocimetry

Velocimetrie částicového obrazu ( PIV ) je optická metoda vizualizace toku používaná ve vzdělávání a výzkumu. Používá se k získání měření okamžité rychlosti a souvisejících vlastností v tekutinách . Tekutina je naočkována stopovacími částicemi , u nichž se u dostatečně malých částic předpokládá, že věrně sledují dynamiku proudění (stupeň, do kterého částice věrně sledují tok, je reprezentován Stokesovým číslem ). Tekutina s unášenými částicemi je osvětlena, takže jsou částice viditelné. Pohyb očkovacích částic se používá k výpočtu rychlosti a směru ( rychlostního pole ) studovaného proudu.

Dalšími technikami používanými k měření toků jsou laserová dopplerovská velocimetrie a anemometrie horkého drátu . Hlavní rozdíl mezi PIV a těmito technikami je ten, že PIV produkuje dvourozměrná nebo dokonce trojrozměrná vektorová pole , zatímco ostatní techniky měří rychlost v bodě. Během PIV je koncentrace částic taková, že je možné identifikovat jednotlivé částice v obraze, ale ne s jistotou je sledovat mezi obrazy. Když je koncentrace částic tak nízká, že je možné sledovat jednotlivé částice, nazývá se to velocimetrie pro sledování částic , zatímco laserová velocimetrie se používá pro případy, kdy je koncentrace částic tak vysoká, že je obtížné pozorovat jednotlivé částice na obrázku.

Typický přístroj PIV se skládá z kamery ( v moderních systémech obvykle digitální kamery s čipem CCD ), blesku nebo laseru s optickým uspořádáním omezujícím osvětlenou fyzickou oblast (obvykle válcová čočka pro převod světelného paprsku na čáru), synchronizační působit jako vnější spoušť pro řízení kamery a laseru, očkovacích částic a předmětem šetření tekutiny. K nastavení objektivu může laser připojit kabel z optických vláken nebo tekutý světlovod. K následnému zpracování optických obrazů se používá software PIV.

Dějiny

Zatímco metoda přidávání částic nebo předmětů do tekutiny za účelem pozorování jejího toku je pravděpodobně čas od času používána v průběhu věků, není známa trvalá aplikace této metody. Prvním, kdo použil částice ke systematičtějšímu studiu tekutin, byl Ludwig Prandtl na počátku 20. století.

Laserová dopplerovská velocimetrie předchází tomu, aby se PIV rozšířil pro výzkum a průmyslové využití. Schopný získat všechna měření rychlosti tekutiny v určitém bodě, lze jej považovat za bezprostředního předchůdce 2-dimenzionálního PIV. Samotný PIV našel své kořeny ve velocimetrii laserových skvrn , což je technika, se kterou několik skupin začalo experimentovat na konci 70. let minulého století. Na počátku 80. let bylo zjištěno, že je výhodné snížit koncentraci částic až na úroveň, kde lze pozorovat jednotlivé částice. Při těchto hustotách částic bylo dále zaznamenáno, že bylo snazší studovat toky, pokud byly rozděleny do mnoha velmi malých „dotazovacích“ oblastí, které by bylo možné analyzovat jednotlivě, aby se pro každou oblast vytvořila jedna rychlost. Obrázky byly obvykle zaznamenávány pomocí analogových kamer a pro analýzu bylo zapotřebí obrovské množství výpočetního výkonu.

S rostoucím výkonem počítačů a rozšířeným používáním CCD kamer je digitální PIV stále běžnější, až je dnes primární technikou.

Zařízení a přístroje

Naočkování částic

Aplikace PIV při spalování

Tyto očkovací částice jsou ze své podstaty rozhodující složkou systému PIV. V závislosti na zkoumané tekutině musí být částice schopny přiměřeně odpovídat vlastnostem tekutiny. Jinak nebudou dostatečně uspokojivě sledovat tok, aby byla analýza PIV považována za přesnou. Ideální částice budou mít stejnou hustotu jako použitý kapalinový systém a jsou sférické (těmto částicím se říká mikrosféry ). Zatímco skutečný výběr částic závisí na povaze tekutiny, obecně pro makro PIV vyšetřování jsou to skleněné kuličky, polystyren , polyethylen , hliníkové vločky nebo kapičky oleje (pokud je zkoumanou tekutinou plyn ). Index lomu očkovacích částic by se měl lišit od tekutiny, kterou vysévají, aby se laserová fólie dopadající na tok tekutiny odrážela od částic a byla rozptýlena směrem ke kameře.

Částice mají typicky průměr řádově 10 až 100 mikrometrů. Pokud jde o dimenzování, částice by měly být dostatečně malé, aby doba odezvy částic na pohyb tekutiny byla přiměřeně krátká na přesné sledování toku, ale dostatečně velká, aby rozptýlila značné množství dopadajícího laserového světla. U některých experimentů zahrnujících spalování může být velikost očkovacích částic menší, řádově 1 mikrometr, aby se předešlo efektu zhášení, který mohou mít inertní částice na plameny. Vzhledem k malé velikosti částic v pohybu částic převládají tahy stoků a usazování nebo stoupající vlivy. V modelu, kde jsou částice modelovány jako sférické ( mikrosféry ) na velmi nízkém Reynoldsově čísle , je schopnost částic sledovat tok tekutiny nepřímo úměrná rozdílu v hustotě mezi částicemi a tekutinou a také nepřímo úměrná čtverec jejich průměru. Rozptýlenému světlu částic dominuje Mieův rozptyl, a je tedy také úměrný čtverci průměrů částic. Velikost částic tedy musí být vyvážena, aby rozptýlila dostatek světla, aby přesně viděla všechny částice v rovině laserového listu, ale dostatečně malá, aby přesně sledovala tok.

Mechanismus setí musí být také navržen tak, aby se tok naočkoval v dostatečné míře, aniž by se tok příliš narušoval.

Fotoaparát

K provedení PIV analýzy toku jsou na kameru z toku vyžadovány dvě expozice laserového světla . Původně, vzhledem k neschopnosti kamer zachytit více snímků vysokou rychlostí, byly obě expozice zachyceny na stejném snímku a tento jediný snímek byl použit k určení toku. Pro tuto analýzu byl použit proces zvaný autokorelace . V důsledku autokorelace je však směr toku nejasný, protože není jasné, které částicové skvrny pocházejí z prvního impulsu a které z druhého impulsu. Od té doby byly vyvinuty rychlejší digitální fotoaparáty využívající čipy CCD nebo CMOS, které dokážou zachytit dva snímky vysokou rychlostí s rozdílem několika stovek ns mezi snímky. To umožnilo izolovat každou expozici na jejím vlastním rámci pro přesnější analýzu vzájemné korelace . Omezením typických fotoaparátů je, že tato vysoká rychlost je omezena na dvojici snímků. Důvodem je, že každý pár snímků musí být přenesen do počítače, než bude možné pořídit další pár snímků. Typické fotoaparáty dokážou pořídit pouze pár snímků mnohem pomalejší rychlostí. Vysokorychlostní CCD nebo CMOS kamery jsou k dispozici, ale jsou mnohem dražší.

Laser a optika

U makro PIV nastavení převládají lasery díky jejich schopnosti produkovat vysoce výkonné světelné paprsky s krátkou dobou trvání pulsu. To poskytuje krátké expoziční časy pro každý snímek. Lasery Nd: YAG , běžně používané v nastaveních PIV, emitují primárně při vlnové délce 1064 nm a jejích harmonických (532, 266 atd.) Z bezpečnostních důvodů je laserová emise obvykle filtrována pásmovou filtrací, aby se izolovaly harmonické 532 nm (toto je zelené světlo , jedinou harmonickou, kterou lze vidět pouhým okem). K nasměrování laserového světla do experimentálního uspořádání lze použít kabel z optických vláken nebo tekutý světlovod.

Optika se skládá z kombinace sférických čoček a válcových čoček . Válcová čočka rozpíná laser do roviny, zatímco sférická čočka stlačuje letadlo na tenký list. To je kritické, protože technika PIV obecně nemůže měřit normální pohyb laserového listu, a proto je v ideálním případě eliminován udržováním zcela 2-rozměrného laserového listu. Sférická čočka nemůže stlačit laserový list do skutečné 2-dimenzionální roviny. Minimální tloušťka je v řádu vlnové délky laserového světla a vyskytuje se v konečné vzdálenosti od optického uspořádání (ohnisko kulové čočky). Toto je ideální místo pro umístění analytické oblasti experimentu.

Také by měl být vybrán správný objektiv pro kameru, aby se správně zaměřil a vizualizoval částice ve vyšetřované oblasti.

Synchronizátor

Synchronizátor funguje jako externí spoušť pro kameru i laser. Zatímco v minulosti se používaly analogové systémy ve formě fotosenzoru , rotační clony a světelného zdroje, většina dnes používaných systémů je digitálních. Synchronizátor ovládaný počítačem může diktovat časování každého snímku sekvence CCD kamery ve spojení s odpalováním laseru s přesností 1 ns. Lze tak přesně řídit čas mezi každým pulsem laseru a umístěním laserového záběru ve vztahu k načasování kamery. Znalost tohoto načasování je zásadní, protože je potřebná k určení rychlosti tekutiny v PIV analýze. Samostatné elektronické synchronizátory, nazývané digitální generátory zpoždění , nabízejí časování s proměnným rozlišením od 250 ps do několika ms. Díky až osmi kanálům synchronizovaného časování nabízejí prostředky pro ovládání několika zábleskových světel a Q-spínačů a také pro zajištění více expozic fotoaparátu.

Analýza

PIV-Analýza vírového páru. Zvětšení vlevo nahoře ukazuje zvýšení prostorového rozlišení, kterého lze dosáhnout pomocí moderní víceprůchodové techniky deformace oken.

Rámy jsou rozděleny do velkého počtu výslechových oblastí neboli oken. Potom je možné vypočítat vektor posunutí pro každé okno pomocí technik zpracování signálu a autokorelace nebo technik křížové korelace . Toto je převedeno na rychlost pomocí času mezi laserovými výstřely a fyzické velikosti každého pixelu ve fotoaparátu. Velikost dotazovacího okna by měla být zvolena tak, aby měla v průměru alespoň 6 částic na okno. Vizuální příklad analýzy PIV lze vidět zde.

Synchronizátor řídí načasování mezi expozicemi obrazu a také umožňuje získávání párů snímků v různých časech toku. Pro přesnou analýzu PIV je ideální, aby oblast toku, která je předmětem zájmu, vykazovala průměrný posun částic asi 8 pixelů. Jedná se o kompromis mezi delším časovým odstupem, který by částicím umožnil cestovat dále mezi snímky, což ztěžuje identifikaci toho, které vyšetřovací okno cestovalo do kterého bodu, a kratším časovým odstupem, což by mohlo příliš komplikovat identifikaci jakéhokoli posunutí uvnitř proud.

Rozptýlené světlo z každé částice by mělo být v oblasti 2 až 4 pixely napříč na obrázku. Pokud je zaznamenána příliš velká oblast, velikost obrazu částic se zmenší a může dojít ke zablokování špiček se ztrátou přesnosti subpixelů. Existují metody, jak překonat účinek zamykání špičky, ale vyžadují nějakou další práci.

PIV analýza zastavené ploché desky, střižná rychlost superponovaná

Pokud je k dispozici odbornost PIV a čas na vývoj systému, přestože to není triviální, je možné vybudovat vlastní systém PIV. Výzkumné systémy PIV však disponují vysoce výkonnými lasery a špičkovými specifikacemi kamer, které jim umožňují provádět měření s nejširším spektrem experimentů požadovaných ve výzkumu.

Příklad analýzy PIV bez instalace [1]

PIV úzce souvisí s digitální korelací obrazu , technikou měření optického posunu, která využívá korelační techniky ke studiu deformace pevných materiálů.

Klady/zápory

Výhody

Tato metoda je do značné míry neintruzivní. Přidané indikátory (pokud jsou správně zvoleny) obecně způsobují zanedbatelné zkreslení toku tekutiny.

Optické měření eliminuje potřebu Pitotových trubic , hotwire anemometrů nebo jiných rušivých sond pro měření průtoku . Metoda je schopná měřit celou dvou- dimenzionální průřez (geometrie) pole proudění současně.

Vysokorychlostní zpracování dat umožňuje generování velkého počtu párů obrázků, které lze na osobním počítači analyzovat v reálném čase nebo později a lze získat velké množství téměř kontinuálních informací.

Hodnoty posunutí dílčích pixelů umožňují vysoký stupeň přesnosti, protože každý vektor je statistickým průměrem pro mnoho částic v konkrétní dlaždici. Posun může být typicky přesný až do 10% jednoho pixelu v obrazové rovině.

Nevýhody

V některých případech nebudou částice kvůli své vyšší hustotě dokonale sledovat pohyb tekutiny ( plyn / kapalina ). Pokud se experimenty provádějí například ve vodě, je možné snadno najít velmi levné částice (např. Plastový prášek o průměru ~ 60 µm) se stejnou hustotou jako voda. Pokud hustota stále nevyhovuje, lze hustotu tekutiny upravit zvýšením/ snížením její teploty. To vede k mírným změnám Reynoldsova čísla, takže rychlost kapaliny nebo velikost experimentálního objektu musí být změněna, aby to odpovídalo.

Metody velocimetrie obrazu částic obecně nebudou schopny měřit součásti podél osy z (směrem k/od kamery). Tyto komponenty mohou být nejen vynechány, ale mohou také způsobit interferenci v datech pro x/y-komponenty způsobenou paralaxou. Tyto problémy neexistují ve stereoskopickém PIV, který používá dvě kamery k měření všech tří složek rychlosti.

Protože výsledné vektory rychlosti jsou založeny na vzájemné korelaci distribucí intenzity na malých oblastech toku, je výsledné pole rychlosti prostorově zprůměrovanou reprezentací pole skutečné rychlosti. To má zjevně důsledky pro přesnost prostorových derivací rychlostního pole, vířivost a funkce prostorové korelace, které jsou často odvozeny z rychlostních polí PIV.

Systémy PIV používané ve výzkumu často používají lasery třídy IV a vysokorychlostní kamery s vysokým rozlišením, což přináší omezení nákladů a bezpečnosti.

Složitější nastavení PIV

Stereoskopický PIV

Stereoskopický PIV využívá k vyjmutí posunutí osy z dvě kamery se samostatnými pozorovacími úhly . Obě kamery musí být zaostřeny na stejné místo v toku a musí být správně kalibrovány, aby měly stejný bod zaostření.

V základní mechanice tekutin je posunutí za jednotku času ve směrech X, Y a Z běžně definováno proměnnými U, V a W. Jak již bylo dříve popsáno, základní PIV extrahuje posunutí U a V jako funkce v rovině Směry X a Y To umožňuje výpočty s , , a rychlostní gradienty. Z těchto informací však nelze najít dalších 5 členů tenzoru rychlostního gradientu. Stereoskopická analýza PIV také poskytuje komponentu posunutí osy Z, W, v této rovině. Nejenže to udává rychlost kapaliny v ose Z v ose Z, ale lze určit i další dva členy gradientu rychlosti: a . Složky rychlost stoupání , a není možné určit. Složky gradientu rychlosti tvoří tenzor: ${\ displaystyle U_ {x}}$${\ displaystyle V_ {y}}$${\ displaystyle U_ {y}}$${\ displaystyle V_ {x}}$${\ displaystyle W_ {x}}$${\ displaystyle W_ {y}}$${\ displaystyle U_ {z}}$${\ displaystyle V_ {z}}$${\ displaystyle W_ {z}}$

${\ displaystyle {\ begin {bmatrix} U_ {x} & U_ {y} & U_ {z} \\ V_ {x} & V_ {y} & V_ {z} \\ W_ {x} & W_ {y} & W_ {z} \ \\ end {bmatrix}}}$

Dvouplošný stereoskopický PIV

Jedná se o rozšíření stereoskopického PIV přidáním druhé vyšetřovací roviny přímo odsazené od té první. K této analýze jsou zapotřebí čtyři kamery. Dvě roviny laserového světla jsou vytvořeny rozdělením laserové emise rozdělovačem paprsků na dva paprsky. Každý paprsek je poté vůči sobě ortogonálně polarizován. Dále jsou přenášeny sadou optik a použity k osvětlení jedné ze dvou rovin současně.

Čtyři kamery jsou spárovány do skupin po dvou. Každý pár se zaměřuje na jeden z laserových listů stejným způsobem jako jednoplošný stereoskopický PIV. Každá ze čtyř kamer má polarizační filtr navržený tak, aby propouštěl pouze polarizované rozptýlené světlo z příslušných oblastí zájmu. To v podstatě vytváří systém, pomocí kterého jsou spuštěna dvě oddělená stereoskopická nastavení analýzy PIV současně s pouze minimální separační vzdáleností mezi sledovanými rovinami.

Tato technika umožňuje stanovení tří rychlost přechodu složek s jednou rovinou stereoskopické PIV nebylo možné vygenerovat: , a . Touto technikou lze kvantifikovat celý tenzor gradientu rychlosti tekutiny v 2-dimenzionální zájmové rovině. Problém nastává v tom, že laserové listy by měly být udržovány dostatečně blízko u sebe, aby se přiblížily dvojrozměrné rovině, ale dostatečně odsazené, aby ve směru z bylo možné najít smysluplné gradienty rychlosti. ${\ displaystyle U_ {z}}$${\ displaystyle V_ {z}}$${\ displaystyle W_ {z}}$

Víceplošný stereoskopický PIV

K dispozici je několik rozšíření dvouplošného stereoskopického nápadu PIV. Existuje možnost vytvořit několik paralelních laserových listů pomocí sady rozdělovačů paprsků a čtvrtvlnných desek, které poskytují tři nebo více rovin, pomocí jediné laserové jednotky a stereoskopického nastavení PIV, nazývaného XPIV

Micro PIV

Pomocí epifluorescenčního mikroskopu lze analyzovat mikroskopické toky. MicroPIV využívá fluoreskující částice, které excitují na konkrétní vlnové délce a emitují na jiné vlnové délce. Laserové světlo se odráží dichroickým zrcadlem, cestuje objektivem, který zaostřuje na bod zájmu, a osvětluje regionální svazek. Emise částic spolu s odraženým laserovým světlem svítí zpět přes objektiv, dichroické zrcadlo a přes emisní filtr, který blokuje laserové světlo. Tam, kde PIV čerpá své 2-dimenzionální analytické vlastnosti z planární povahy laserového plechu, microPIV využívá schopnost objektivu zaostřit současně pouze na jednu rovinu, čímž vytváří 2-dimenzionální rovinu viditelných částic.

Částice MicroPIV mají průměr řádově několik set nm, což znamená, že jsou extrémně citlivé na Brownův pohyb. Proto pro tuto techniku ​​musí být použita speciální technika průměrování souborů. Křížová korelace řady základních analýz PIV je zprůměrována dohromady, aby se určilo pole skutečné rychlosti. Lze tedy zkoumat pouze stálé toky. Musí být také použity speciální techniky předzpracování, protože obrázky mívají zkreslení nulovým posunem od šumu pozadí a nízkých poměrů šumu signálu. K zachycení maximálního možného emisního světla se obvykle používají také objektivy s vysokou numerickou aperturou. Ze stejných důvodů je rozhodující také výběr optiky.

Holografický PIV

Holografický PIV (HPIV) zahrnuje řadu experimentálních technik, které využívají interferenci koherentního světla rozptýleného částicí a referenčním paprskem ke kódování informací o amplitudě a fázi rozptýleného světla dopadajícího na rovinu senzoru. Tyto zakódované informace, známé jako hologram , lze poté použít k rekonstrukci pole původní intenzity osvětlením hologramu původním referenčním paprskem pomocí optických metod nebo digitálních aproximací. Pole intenzity je dotazováno pomocí technik křížové korelace 3-D k získání pole rychlosti.

Off-axis HPIV používá oddělené paprsky k zajištění objektu a referenčních vln. Toto nastavení se používá k tomu, aby se zabránilo tvorbě skvrnitého šumu způsobeného interferencí dvou vln v rozptylovém médiu, ke kterému by došlo, kdyby byly obě šířeny médiem. Experiment mimo osu je vysoce komplexní optický systém obsahující mnoho optických prvků a čtenář je odkazován na příklad schématu v Sheng et al. pro úplnější prezentaci.

In-line holografie je další přístup, který poskytuje některé jedinečné výhody pro zobrazení částic. Asi největší z nich je použití dopředného rozptýleného světla, které je řádově jasnější než rozptyl orientovaný normálně ke směru paprsku. Optické nastavení takových systémů je navíc mnohem jednodušší, protože zbytkové světlo nemusí být separováno a rekombinováno na jiném místě. In-line konfigurace také poskytuje relativně snadné rozšíření pro použití CCD senzorů, což vytváří samostatnou třídu experimentů známou jako digitální in-line holografie. Složitost těchto nastavení se přesouvá z optického nastavení na následné zpracování obrazu, které zahrnuje použití simulovaných referenčních paprsků. Další diskuse o těchto tématech přesahuje rámec tohoto článku a je popsána v Arroyo a Hinsch

Kvalitu výsledků HPIV zhoršují různé problémy. První třída problémů zahrnuje samotnou rekonstrukci. V holografii je objektová vlna částice obvykle považována za sférickou; vzhledem k teorii rozptylu Mie je však tato vlna složitým tvarem, který může narušit rekonstruovanou částici. Dalším problémem je přítomnost značného skvrnitého šumu, který snižuje celkový poměr signálu k šumu částic. Tento efekt je větší obavou pro in-line holografické systémy, protože referenční paprsek se šíří objemem spolu s paprskem rozptýleného objektu. Hluk může být také zaveden nečistotami v rozptylovacím médiu, jako jsou kolísání teploty a kazy na oknech. Protože holografie vyžaduje koherentní zobrazování, jsou tyto efekty mnohem závažnější než tradiční zobrazovací podmínky. Kombinace těchto faktorů zvyšuje složitost korelačního procesu. Zejména skvrnitý šum v záznamu HPIV často brání tomu, aby byly použity tradiční metody korelace založené na obrazu. Místo toho je implementována identifikace a korelace jednotlivých částic, které stanoví limity hustoty počtu částic. Podrobnější přehled těchto zdrojů chyb je uveden v Meng et al.

Ve světle těchto problémů se může zdát, že HPIV je příliš komplikovaný a náchylný k chybám, než aby byl použit pro měření průtoku. Se všemi holografickými přístupy však bylo získáno mnoho působivých výsledků. Svizher a Cohen použili hybridní systém HPIV ke studiu fyziky vírů vlásenek. Tao a kol. zkoumali zarovnání tenzorů vířivosti a rychlosti deformace při turbulenci vysokého Reynoldsova čísla. Jako poslední příklad Sheng a kol. pomocí holografické mikroskopie prováděl měření turbulentního smykového napětí a rychlosti v turbulentních hraničních vrstvách blízko stěny.

Skenování PIV

Pomocí otočného zrcátka, vysokorychlostní kamery a korekce geometrických změn lze PIV provádět téměř okamžitě na sadě rovin v celém tokovém poli. Vlastnosti tekutin mezi rovinami pak lze interpolovat. Kvazi-volumetrickou analýzu lze tedy provést na cílovém objemu. Skenování PIV může být provedeno ve spojení s dalšími 2-dimenzionálními metodami PIV popsanými pro aproximaci 3-rozměrné volumetrické analýzy.

Tomografický PIV

Tomografický PIV je založen na osvětlení, záznamu a rekonstrukci stopovacích částic v 3-D měřicím objemu. Tato technika používá několik kamer k záznamu simultánních pohledů na osvětlený objem, který je poté rekonstruován, aby poskytl diskrétní pole intenzity 3-D. Dvojice intenzitních polí je analyzována pomocí 3-D křížových korelačních algoritmů pro výpočet pole 3-D, 3-C rychlosti v rámci objemu. Tato technika byla původně vyvinuta Elsingou a kol. v roce 2006.

Rekonstrukční postup je složitý podurčený inverzní problém. Primární komplikací je, že z velkého počtu 3D svazků může vyplývat jedna sada zobrazení. Postupy pro správné určení jedinečného objemu ze sady pohledů jsou základem pro oblast tomografie. Ve většině experimentů Tomo-PIV se používá technika multiplikativní algebraické rekonstrukce (MART). Výhodou této techniky rekonstrukce pixel po pixelu je, že se vyhýbá potřebě identifikovat jednotlivé částice. Rekonstrukce diskretizovaného pole intenzity 3-D je výpočetně náročná a mimo MART se několik vývojů snažilo výrazně snížit tyto výpočetní náklady, například technika simultánní multiplikativní algebraické rekonstrukce (MLOS-SMART) s víceúrovňovou viditelností řídkost pole intenzity 3-D, aby se snížily požadavky na paměť a výpočet.

Pro přijatelnou přesnost rekonstrukce jsou zpravidla zapotřebí alespoň čtyři kamery a nejlepších výsledků se dosáhne, když jsou kamery umístěny přibližně 30 stupňů kolmo k měřenému objemu. Pro úspěšný experiment je nutné zvážit mnoho dalších faktorů.

Tomo-PIV byl aplikován na širokou škálu toků. Příklady zahrnují strukturu interakce turbulentní mezní vrstvy/rázové vlny, vířivost brázdy válce nebo stoupajícího profilu křídla, aeroakustické experimenty tyč-profil křídla a měření mikroprůtoků v malém měřítku. V poslední době byl Tomo-PIV používán společně s velocimetrií sledování částic 3-D k pochopení interakcí predátor-kořist a přenosná verze Tomo-PIV byla použita ke studiu unikátních plaveckých organismů na Antarktidě.

Termografický PIV

Termografický PIV je založen na použití termografických luminoforů jako očkovacích částic. Použití těchto termografických luminoforů umožňuje současné měření rychlosti a teploty v toku.

Termografické fosfory se skládají z keramických hostitelských materiálů dotovaných ionty vzácných zemin nebo přechodových kovů, které vykazují fosforescenci, když jsou osvětleny ultrafialovým světlem. Doba rozpadu a spektra této fosforescence jsou citlivé na teplotu a nabízejí dvě různé metody měření teploty. Metoda doby rozpadu spočívá v přizpůsobení fosforescenčního rozpadu exponenciální funkci a běžně se používá v bodových měřeních, i když byla prokázána v povrchových měřeních. Poměr intenzity mezi dvěma různými spektrálními čarami fosforescenční emise, sledovaný pomocí spektrálních filtrů, je také závislý na teplotě a může být použit pro povrchová měření.

Fosforové částice o velikosti mikrometrů použité v termografickém PIV se naočkují do toku jako indikátor a po osvětlení tenkou vrstvou laserového světla lze teplotu částic měřit z fosforescence, obvykle za použití techniky poměru intenzity. Je důležité, aby částice byly malé velikosti, aby nejen uspokojivě sledovaly tok, ale také rychle získaly jeho teplotu. Pro průměr 2 µm je tepelný skluz mezi částicemi a plynem stejně malý jako rychlostní skluz.

Osvětlení fosforu je dosaženo pomocí ultrafialového světla. Většina termografických luminoforů absorbuje světlo v širokém pásmu v UV, a proto může být excitována pomocí laseru YAG: Nd. Teoreticky lze stejné světlo použít jak pro měření PIV, tak pro měření teploty, ale to by znamenalo, že jsou zapotřebí kamery citlivé na UV záření. V praxi se dva různé paprsky pocházející z oddělených laserů překrývají. Zatímco jeden z paprsků slouží k měření rychlosti, druhý slouží k měření teploty.

Použití termografických luminoforů nabízí některé výhodné vlastnosti, včetně schopnosti přežít v reaktivním a vysokoteplotním prostředí, chemické stability a necitlivosti jejich fosforescenčních emisí na tlak a složení plynu. Termografické luminofory navíc vyzařují světlo o různých vlnových délkách, což umožňuje spektrální rozlišení vůči excitačnímu světlu a pozadí.

Termografický PIV byl prokázán pro časově zprůměrovaná a jednorázová měření. Nedávno byla také úspěšně provedena časově rozlišená vysokorychlostní (3 kHz) měření.

Umělá inteligence PIV

S rozvojem umělé inteligence byly publikovány vědecké publikace a komerční software, které navrhovaly výpočty PIV založené na hlubokém učení a konvolučních neuronových sítích. Použitá metodika vychází především z optických tokových neuronových sítí populárních ve strojovém vidění. Pro trénování parametrů sítí je generována datová sada, která obsahuje obrazy částic. Výsledkem je hluboká neuronová síť pro PIV, která může poskytnout odhad hustého pohybu až do maxima jednoho vektoru pro jeden pixel, pokud to zaznamenané obrázky umožňují. AI PIV slibuje husté rychlostní pole, neomezené velikostí dotazovacího okna, které omezuje tradiční PIV na jeden vektor na 16 x 16 pixelů.

Zpracování v reálném čase a aplikace PIV

S rozvojem digitálních technologií bylo možné zpracování v reálném čase a aplikace PIV. Například GPU lze použít k podstatnému zrychlení přímých korelací Fourierových transformací jednotlivých dotazovacích oken. Podobně víceprocesové, paralelní nebo vícevláknové procesy na několika CPU nebo vícejádrových CPU jsou výhodné pro distribuované zpracování více dotazovacích oken nebo více obrazů. Některé aplikace používají metody zpracování obrazu v reálném čase, například FPGA založené na kompresi obrazu za běhu nebo zpracování obrazu. Nověji jsou možnosti měření a zpracování PIV v reálném čase implementovány pro budoucí použití v aktivním řízení toku se zpětnou vazbou na základě toku.

Aplikace

PIV byl aplikován na širokou škálu problémů s prouděním, od toku přes křídlo letadla ve větrném tunelu až po tvorbu vírů v protetických srdečních chlopních. Byly hledány 3-dimenzionální techniky pro analýzu turbulentního proudění a trysek.

Základní algoritmy PIV založené na křížové korelaci lze implementovat během několika hodin, zatímco sofistikovanější algoritmy mohou vyžadovat značnou investici času. K dispozici je několik implementací open source. Aplikace PIV v americkém vzdělávacím systému byla omezena kvůli vysokým cenovým a bezpečnostním problémům systémů PIV průmyslového výzkumu.

Granulární PIV: měření rychlosti v zrnitých proudech a lavinách

PIV lze také použít k měření rychlostního pole volného povrchu a bazální hranice v zrnitých proudech, jako jsou proudy v otřesených kontejnerech, bubnech a lavinách. Tato analýza je zvláště vhodná pro netransparentní média, jako je písek, štěrk, křemen nebo jiné zrnité materiály, které jsou v geofyzice běžné. Tento přístup PIV se nazývá „granulární PIV“. Nastavení pro granulovaný PIV se liší od obvyklého nastavení PIV v tom, že optická povrchová struktura, která je vytvořena osvětlením povrchu granulovaného toku, je již dostatečná k detekci pohybu. To znamená, že není nutné přidávat do sypkého materiálu stopovací částice.

Viz také

• Korelace digitálního obrazu
• Anemometrie horkého drátu
• Laserová dopplerovská velocimetrie
• Molekulární značkovací velocimetrie
• Velocimetrie pro sledování částic

Bibliografie

• Raffel, M .; Willert, C .; Wereley, S .; Kompenhans, J. (2007). Velocimetrie obrazu částic: Praktický průvodce . Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-72307-3.
• Adrian, RJ; Westerweel, J. (2011). Velocimetrie obrazu částic . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-44008-0.

Poznámky

Reference

• Adrian, RJ (1991). „Techniky zobrazování částic pro experimentální mechaniku tekutin“. Výroční přehled mechaniky tekutin . 23 (1): 261–304. Bibcode : 1991AnRFM..23..261A . doi : 10,1146/annurev.fl.23.010191.001401 .
• Adrian, RJ (2005). „Dvacet let velocimetrie obrazu částic“. Experimenty s kapalinami . 39 (2): 159–169. Bibcode : 2005ExFl ... 39..159A . CiteSeerX  10.1.1.578.9673 . doi : 10,1007/s00348-005-0991-7 .
• Katz, J .; Sheng, J. (2010). „Aplikace holografie v mechanice tekutin a dynamice částic“. Výroční přehled mechaniky tekutin. 42 : 531-555. Bibcode: doi: 10,1146/annurev-fluid-121108-145508.
• Santiago, JG; Wereley, ST; Meinhart, CD; Beebe, DJ; Adrian, RJ (1998). „Mikro částicový obrazový velocimetrický systém“. Experimenty s kapalinami . 25 (4): 316–319. CiteSeerX  10.1.1.126.466 . doi : 10,1007/s003480050235 .
• Fouras, A .; Dusting, J .; Lewis, R .; Hourigan, K. (2007). „Trojrozměrná synchrotronová rentgenová částicová obrazová velocimetrie“. Journal of Applied Physics . 102 (6): 064916–064916–6. Bibcode : 2007JAP ... 102f4916F . doi : 10,1063/1,2783978 .
• Wereley, ST; Meinhart, CD (2010). „Nedávné pokroky ve velocimetrii obrazu mikročástic“. Výroční přehled mechaniky tekutin . 42 (1): 557–576. Bibcode : 2010AnRFM..42..557W . doi : 10,1146/annurev-fluid-121108-145427 .

externí odkazy

Testování a měření v Curlie

Výzkum PIV v Laboratoři experimentální dynamiky tekutin ( laboratoř J. Katze )