Partikelbildhastighet

Partikelbildshastighet ( PIV ) är en optisk metod för flödesvisualisering som används inom utbildning och forskning. Det används för att erhålla momentana hastighetsmätningar och relaterade egenskaper i vätskor . Vätskan sås med spårpartiklar som , för tillräckligt små partiklar, antas troget följa flödesdynamiken ( graden till vilken partiklarna troget följer flödet representeras av Stokes-talet ). Vätskan med indragna partiklar belyses så att partiklar är synliga. Såddpartiklarnas rörelse används för att beräkna hastighet och riktning (hastighetsfältet) för det flöde som studeras.

Andra tekniker som används för att mäta flöden är laserdopplerhastighetsmätning och hettrådsanemometri . Huvudskillnaden mellan PIV och dessa tekniker är att PIV producerar tvådimensionella eller till och med tredimensionella vektorfält , medan de andra teknikerna mäter hastigheten vid en punkt. Under PIV är partikelkoncentrationen sådan att det är möjligt att identifiera enskilda partiklar i en bild, men inte med säkerhet att spåra den mellan bilderna . När partikelkoncentrationen är så låg att det är möjligt att följa en enskild partikel kallas det för partikelspårningshastighet , medan lasersprickhastighet används för de fall där partikelkoncentrationen är så hög att det är svårt att observera enskilda partiklar i en bild.

Typisk PIV-apparat består av en kamera (normalt en digitalkamera med ett CCD-chip i moderna system), en stroboskop eller laser med ett optiskt arrangemang för att begränsa det fysiska området som är upplyst (normalt en cylindrisk lins för att omvandla en ljusstråle till en linje), en synkronisator för att fungera som en extern trigger för kontroll av kameran och lasern, såpartiklarna och vätskan som undersöks. En fiberoptisk kabel eller flytande ljusledare kan ansluta lasern till linsuppställningen. PIV-programvaran används för att efterbehandla de optiska bilderna.

Historia

Även om metoden att tillsätta partiklar eller föremål till en vätska för att observera dess flöde sannolikt har använts från tid till annan genom tiderna, är ingen varaktig tillämpning av metoden känd. Den första som använde partiklar för att studera vätskor på ett mer systematiskt sätt var Ludwig Prandtl , i början av 1900-talet.

Laserdopplerhastighetsmätning går före PIV som ett laserdigitalt analyssystem för att bli utbrett för forskning och industriell användning. Kan erhålla alla en vätskas hastighetsmätningar vid en specifik punkt, den kan betraktas som den 2-dimensionella PIV:s omedelbara föregångare. PIV själv hittade sina rötter i laserfläckshastighet, en teknik som flera grupper började experimentera med i slutet av 1970-talet. I början av 1980-talet fann man att det var fördelaktigt att minska partikelkoncentrationen ner till nivåer där enskilda partiklar kunde observeras. Vid dessa partikeldensiteter märktes det vidare att det var lättare att studera flödena om de delades upp i många mycket små "förfrågningsområden", som kunde analyseras individuellt för att generera en hastighet för varje område. Bilderna spelades vanligtvis in med analoga kameror och behövde en enorm mängd datorkraft för att analyseras.

Med den ökande kraften hos datorer och utbredd användning av laddningskopplade enhetskameror (CCD) har digital PIV blivit allt vanligare, till den grad att det är den primära tekniken idag.

Utrustning och apparater

Sådd partiklar

Applicering av PIV vid förbränning

Såddpartiklarna är en inneboende kritisk komponent i PIV- systemet . Beroende på vilken vätska som undersöks måste partiklarna kunna matcha vätskeegenskaperna någorlunda väl. Annars kommer de inte att följa flödet tillräckligt tillfredsställande för att PIV-analysen ska anses korrekt. Idealiska partiklar kommer att ha samma densitet som vätskesystemet som används och är sfäriska (dessa partiklar kallas mikrosfärer ). Även om det faktiska partikelvalet beror på vätskans natur, är de vanligtvis för makro PIV-undersökningar glaspärlor , polystyren , polyeten , aluminiumflingor eller oljedroppar (om vätskan som undersöks är en gas ). Brytningsindex för ymppartiklarna bör skilja sig från vätskan som de sådd, så att laserarket som infaller på vätskeflödet kommer att reflekteras från partiklarna och sprids mot kameran.

Partiklarna har typiskt en diameter i storleksordningen 10 till 100 mikrometer. När det gäller dimensionering bör partiklarna vara tillräckligt små så att svarstiden för partiklarna på vätskans rörelse är rimligt kort för att exakt följa flödet, men ändå tillräckligt stor för att sprida en betydande mängd av det infallande laserljuset. För vissa experiment som involverar förbränning kan såddpartikelstorleken vara mindre, i storleksordningen 1 mikrometer, för att undvika den släckande effekt som de inerta partiklarna kan ha på lågor. På grund av den lilla storleken på partiklarna domineras partiklarnas rörelse av dragkraft och sedimentering eller stigande effekter. I en modell där partiklar modelleras som sfäriska ( mikrosfärer ) vid ett mycket lågt Reynolds-tal , är partiklarnas förmåga att följa vätskans flöde omvänt proportionell mot skillnaden i densitet mellan partiklarna och vätskan, och även omvänt proportionell mot kvadrat av deras diameter. Det spridda ljuset från partiklarna domineras av Mie-spridning och är därför också proportionellt mot kvadraten på partiklarnas diametrar. Således måste partikelstorleken balanseras för att sprida tillräckligt med ljus för att exakt visualisera alla partiklar inom laserarkplanet, men tillräckligt liten för att exakt följa flödet.

Såningsmekanismen måste också utformas för att sådd flödet i tillräcklig grad utan att alltför störa flödet.

Kamera

För att utföra PIV-analys på flödet krävs två exponeringar av laserljus på kameran från flödet. Ursprungligen, med kamerornas oförmåga att fånga flera bilder med höga hastigheter, togs båda exponeringarna på samma bildruta och denna enda bildruta användes för att bestämma flödet. En process som kallas autokorrelation användes för denna analys. Men som ett resultat av autokorrelation blir flödesriktningen otydlig, eftersom det inte är klart vilka partikelfläckar som kommer från den första pulsen och vilka som kommer från den andra pulsen. Snabbare digitalkameror med CCD- eller CMOS -chip har utvecklats sedan dess som kan fånga två bildrutor med hög hastighet med några hundra ns skillnad mellan bildrutorna. Detta har gjort det möjligt för varje exponering att isoleras på sin egen ram för mer exakt korskorrelationsanalys . Begränsningen med typiska kameror är att denna snabba hastighet är begränsad till ett par bilder. Detta beror på att varje par bilder måste överföras till datorn innan ytterligare ett par bilder kan tas. Typiska kameror kan bara ta ett par bilder med mycket lägre hastighet. Höghastighets CCD- eller CMOS-kameror är tillgängliga men är mycket dyrare.

Laser och optik

För makro PIV-inställningar är lasrar dominerande på grund av deras förmåga att producera högeffektsljusstrålar med korta pulslängder. Detta ger korta exponeringstider för varje bildruta. Nd:YAG-lasrar , som vanligtvis används i PIV-uppställningar, avger primärt vid 1064 nm våglängd och dess övertoner (532, 266, etc.) Av säkerhetsskäl bandpassfiltreras laseremissionen vanligtvis för att isolera 532 nm övertonerna (detta är grönt ljus , den enda harmoniska som kan ses med blotta ögat). En fiberoptisk kabel eller flytande ljusledare kan användas för att rikta laserljuset till experimentuppställningen.

Optiken består av en kombination av en sfärisk lins och en cylindrisk lins . Den cylindriska linsen expanderar lasern till ett plan medan den sfäriska linsen komprimerar planet till ett tunt ark. Detta är kritiskt eftersom PIV-tekniken i allmänhet inte kan mäta rörelse vinkelrätt mot laserarket och så idealiskt elimineras detta genom att bibehålla ett helt 2-dimensionellt laserark. Den sfäriska linsen kan inte komprimera laserarket till ett verkligt 2-dimensionellt plan. Den minsta tjockleken är i storleksordningen laserljusets våglängd och uppträder på ett ändligt avstånd från optikuppställningen (den sfäriska linsens brännpunkt). Detta är den idealiska platsen för att placera analysområdet för experimentet.

Rätt objektiv för kameran bör också väljas för att korrekt fokusera på och visualisera partiklarna inom undersökningsområdet.

Synkroniserare

Synkroniseraren fungerar som en extern trigger för både kameran/kamerorna och lasern. Medan analoga system i form av en fotosensor, roterande bländare och en ljuskälla har använts tidigare, är de flesta system som används idag digitala. Styrd av en dator kan synkroniseraren diktera timingen för varje bildruta i CCD-kamerans sekvens i samband med att lasern avfyras med en precision inom 1 ns. Således kan tiden mellan varje puls av lasern och placeringen av laserskottet i förhållande till kamerans timing kontrolleras noggrant. Kunskap om denna timing är kritisk eftersom den behövs för att bestämma hastigheten på vätskan i PIV-analysen. Fristående elektroniska synkronisatorer, kallade digitala fördröjningsgeneratorer , erbjuder variabel upplösningstid från så lågt som 250 ps till så högt som flera ms. Med upp till åtta kanaler med synkroniserad timing, erbjuder de möjligheten att styra flera blixtlampor och Q-switchar samt tillhandahålla flera kameraexponeringar.

Analys

PIV-analys av ett virvelpar. Förstoringen i det övre vänstra hörnet visar ökningen i rumslig upplösning som kan uppnås med en modern multi-pass fönsterdeformationsteknik.

Ramarna är uppdelade i ett stort antal förhörsområden, eller fönster. Det är då möjligt att beräkna en förskjutningsvektor för varje fönster med hjälp av signalbehandling och autokorrelations- eller korskorrelationstekniker . Detta omvandlas till en hastighet som använder tiden mellan laserbilder och den fysiska storleken på varje pixel på kameran. Storleken på förhörsfönstret bör väljas så att det har minst 6 partiklar per fönster i genomsnitt. Ett visuellt exempel på PIV-analys kan ses här.

Synkroniseraren styr timingen mellan bildexponeringar och tillåter även bildpar att förvärvas vid olika tidpunkter längs flödet. För noggrann PIV-analys är det idealiskt att området av flödet som är av intresse ska visa en genomsnittlig partikelförskjutning på cirka 8 pixlar. Detta är en kompromiss mellan ett längre tidsavstånd som skulle tillåta partiklarna att färdas längre mellan bildrutor, vilket gör det svårare att identifiera vilket förhörsfönster som reste till vilken punkt, och ett kortare tidsavstånd, vilket kan göra det alltför svårt att identifiera någon förskjutning inom flödet.

Det spridda ljuset från varje partikel bör vara i området 2 till 4 pixlar över bilden. Om ett för stort område registreras kan partikelbildstorleken sjunka och topplåsning kan inträffa med förlust av subpixelprecision. Det finns metoder för att övervinna topplåsningseffekten, men de kräver lite extra arbete.

PIV-analys av en fast platta, skjuvhastighet överlagrad

Om det finns egen PIV-kompetens och tid att utveckla ett system, även om det inte är trivialt, är det möjligt att bygga ett anpassat PIV-system. PIV-system av forskningskvalitet har dock högeffektlasrar och avancerade kameraspecifikationer för att kunna göra mätningar med det bredaste spektrum av experiment som krävs inom forskning.

Ett exempel på PIV-analys utan installation [1]

PIV är nära relaterat till digital bildkorrelation , en optisk förskjutningsmätningsteknik som använder korrelationstekniker för att studera deformationen av fasta material.

Fördelar nackdelar

Fördelar

Metoden är i hög grad icke-påträngande. De tillsatta spårämnena (om de är korrekt valda) orsakar i allmänhet försumbar distorsion av vätskeflödet.

Optisk mätning undviker behovet av Pitot-rör , hotwire- anemometrar eller andra påträngande flödesmätsonder . Metoden kan mäta ett helt tvådimensionellt tvärsnitt (geometri) av flödesfältet samtidigt.

Höghastighetsdatabehandling tillåter generering av ett stort antal bildpar som på en persondator kan analyseras i realtid eller vid ett senare tillfälle , och en stor mängd nästan kontinuerlig information kan erhållas.

Subpixelförskjutningsvärden tillåter en hög grad av noggrannhet, eftersom varje vektor är det statistiska medelvärdet för många partiklar inom en viss bricka . Förskjutningen kan vanligtvis vara exakt ner till 10 % av en pixel på bildplanet.

Nackdelar

I vissa fall kommer partiklarna, på grund av sin högre densitet, inte perfekt att följa vätskans rörelse ( gas / vätska ). Om experiment görs i vatten, till exempel, är det lätt möjligt att hitta mycket billiga partiklar (t.ex. plastpulver med en diameter på ~60 µm) med samma densitet som vatten. Om densiteten fortfarande inte passar kan vätskans densitet justeras genom att öka/sänka dess temperatur. Detta leder till små förändringar i Reynolds-talet, så vätskehastigheten eller storleken på experimentobjektet måste ändras för att ta hänsyn till detta.

Partikelbildhastighetsmetoder kommer i allmänhet inte att kunna mäta komponenter längs z-axeln (mot till/bort från kameran). Dessa komponenter kanske inte bara missas, de kan också introducera en interferens i data för x/y-komponenterna orsakade av parallax. Dessa problem finns inte i Stereoscopic PIV, som använder två kameror för att mäta alla tre hastighetskomponenterna.

Eftersom de resulterande hastighetsvektorerna är baserade på korskorrelering av intensitetsfördelningarna över små områden av flödet, är det resulterande hastighetsfältet en rumsligt medelvärdesbild av det faktiska hastighetsfältet. Detta har uppenbarligen konsekvenser för noggrannheten hos rumsliga derivator av hastighetsfältet, virvel- och rumsliga korrelationsfunktioner som ofta härleds från PIV-hastighetsfält.

PIV-system som används i forskning använder ofta klass IV-lasrar och högupplösta höghastighetskameror, vilket medför kostnads- och säkerhetsbegränsningar.

Mer komplexa PIV-inställningar

Stereoskopisk PIV

Stereoskopisk PIV använder två kameror med separata betraktningsvinklar för att extrahera z-axelns förskjutning. Båda kamerorna måste vara fokuserade på samma punkt i flödet och måste vara korrekt kalibrerade för att ha samma punkt i fokus.

Inom grundläggande fluidmekanik definieras förskjutning inom en tidsenhet i X-, Y- och Z-riktningarna vanligen av variablerna U, V och W. Som tidigare beskrivits extraherar grundläggande PIV U- och V-förskjutningarna som funktioner i planet X- och Y-riktningar. Detta möjliggör beräkningar av $U_{x}$ , $V_{y}$ , $U_{y}$ och $V_{x}$ hastighetsgradienter . De andra 5 termerna i hastighetsgradienttensorn kan emellertid inte hittas från denna information. Den stereoskopiska PIV-analysen ger också Z-axelns förskjutningskomponent, W, inom det planet. Detta ger inte bara Z-axelns hastighet för vätskan i planet av intresse, utan ytterligare två hastighetsgradienttermer kan bestämmas: $W_{x}$ och $W_{y}$ . Hastighetsgradientkomponenterna $U_{z}$ , $V_{z}$ och $W_{z}$ kan inte bestämmas. Hastighetsgradientkomponenterna bildar tensorn:

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

Dubbelplan stereoskopisk PIV

Detta är en utökning av stereoskopisk PIV genom att lägga till ett andra undersökningsplan direkt förskjutet från det första. Fyra kameror krävs för denna analys. De två planen av laserljus skapas genom att dela laseremissionen med en stråldelare i två strålar. Varje stråle polariseras sedan ortogonalt i förhållande till varandra. Därefter sänds de genom en uppsättning optik och används för att belysa ett av de två planen samtidigt.

De fyra kamerorna är ihopparade i grupper om två. Varje par fokuserar på ett av laserarken på samma sätt som stereoskopisk PIV i ett plan. Var och en av de fyra kamerorna har ett polariserande filter utformat för att endast släppa igenom det polariserade spridda ljuset från respektive plan av intresse. Detta skapar i huvudsak ett system genom vilket två separata stereoskopiska PIV-analysinställningar körs samtidigt med endast ett minimalt separationsavstånd mellan planen av intresse.

Denna teknik tillåter bestämning av de tre hastighetsgradientkomponenterna enkelplans stereoskopisk PIV kunde inte beräknas: $U_{z}$ , $V_{z}$ och $W_{ z}$ . Med denna teknik kan hela hastighetsgradienttensorn för vätskan vid det 2-dimensionella planet av intresse kvantifieras. En svårighet uppstår genom att laserskivorna bör hållas tillräckligt nära varandra för att approximera ett tvådimensionellt plan, men ändå tillräckligt förskjutna för att meningsfulla hastighetsgradienter kan hittas i z-riktningen.

Flerplans stereoskopisk PIV

Det finns flera förlängningar av den dubbelplans stereoskopiska PIV-idén tillgängliga. Det finns ett alternativ att skapa flera parallella laserark med hjälp av en uppsättning stråldelare och kvartsvågsplattor, som tillhandahåller tre eller fler plan, med en enda laserenhet och stereoskopisk PIV-inställning, kallad XPIV

Mikro PIV

Med användning av ett epifluorescerande mikroskop kan mikroskopiska flöden analyseras. MicroPIV använder sig av fluorescerande partiklar som exciterar vid en specifik våglängd och emitterar vid en annan våglängd. Laserljus reflekteras genom en dikroisk spegel, färdas genom en objektivlins som fokuserar på den intressanta punkten och lyser upp en regional volym. Emissionen från partiklarna, tillsammans med reflekterat laserljus, lyser tillbaka genom objektivet, den dikroiska spegeln och genom ett emissionsfilter som blockerar laserljuset. Där PIV hämtar sina 2-dimensionella analysegenskaper från laserarkets plana natur, använder microPIV objektivlinsens förmåga att fokusera på endast ett plan åt gången, vilket skapar ett 2-dimensionellt plan av synliga partiklar.

MicroPIV-partiklar är i storleksordningen flera hundra nm i diameter, vilket betyder att de är extremt känsliga för Brownsk rörelse. Således måste en speciell ensemblemedelvärdesanalysteknik användas för denna teknik. Korskorrelationen av en serie grundläggande PIV-analyser beräknas tillsammans för att bestämma det faktiska hastighetsfältet. Därmed kan endast stadiga flöden undersökas. Särskilda förbehandlingstekniker måste också användas eftersom bilderna tenderar att ha en nollförskjutningsförspänning från bakgrundsbrus och låga signalbrusförhållanden. Vanligtvis används även objektiv med hög numerisk bländaröppning för att fånga det maximala emissionsljuset som möjligt. Optikvalet är också avgörande av samma skäl.

Holografisk PIV

Holografisk PIV (HPIV) omfattar en mängd experimentella tekniker som använder interferens av koherent ljus spritt av en partikel och en referensstråle för att koda information om amplituden och fasen av det spridda ljuset som faller in på ett sensorplan. Denna kodade information, känd som ett hologram , kan sedan användas för att rekonstruera det ursprungliga intensitetsfältet genom att belysa hologrammet med den ursprungliga referensstrålen via optiska metoder eller digitala approximationer. Intensitetsfältet avfrågas med användning av 3D-korskorrelationstekniker för att ge ett hastighetsfält.

Off-axis HPIV använder separata strålar för att tillhandahålla objektet och referensvågorna. Denna inställning används för att undvika att fläckbrus bildas från interferens av de två vågorna i spridningsmediet, vilket skulle inträffa om de båda spreds genom mediet. Ett experiment utanför axeln är ett mycket komplext optiskt system som omfattar många optiska element, och läsaren hänvisas till ett schematiskt exempel i Sheng et al. för en mer komplett presentation.

In-line holografi är ett annat tillvägagångssätt som ger några unika fördelar för partikelavbildning. Den kanske största av dessa är användningen av spritt framåtriktat ljus, vilket är storleksordningar ljusare än spridning orienterat vinkelrätt mot strålriktningen. Dessutom är den optiska inställningen av sådana system mycket enklare eftersom det kvarvarande ljuset inte behöver separeras och kombineras på en annan plats. In-line-konfigurationen ger också en relativt enkel förlängning för att applicera CCD-sensorer, vilket skapar en separat klass av experiment som kallas digital in-line holografi. Komplexiteten i sådana inställningar skiftar från den optiska inställningen till bildefterbehandling, som involverar användning av simulerade referensstrålar. Ytterligare diskussion om dessa ämnen ligger utanför ramen för denna artikel och behandlas i Arroyo och Hinsch

En mängd olika problem försämrar kvaliteten på HPIV-resultat. Den första klassen av frågor handlar om själva rekonstruktionen. I holografi antas objektvågen för en partikel typiskt vara sfärisk; Men på grund av Mie spridningsteori är denna våg en komplex form som kan förvränga den rekonstruerade partikeln. En annan fråga är förekomsten av betydande fläckbrus som sänker det totala signal-brusförhållandet för partikelbilder. Denna effekt är av större betydelse för in-line holografiska system eftersom referensstrålen fortplantas genom volymen tillsammans med den spridda objektstrålen. Buller kan också införas genom föroreningar i spridningsmediet, såsom temperaturvariationer och fönsterfläckar. Eftersom holografi kräver koherent avbildning är dessa effekter mycket allvarligare än traditionella avbildningsförhållanden. Kombinationen av dessa faktorer ökar komplexiteten i korrelationsprocessen. Speciellt förhindrar fläckbruset i en HPIV-inspelning ofta traditionella bildbaserade korrelationsmetoder från att användas. Istället implementeras enstaka partikelidentifiering och korrelation, vilket sätter gränser för partikelantaldensitet. En mer omfattande översikt över dessa felkällor ges i Meng et al.

Mot bakgrund av dessa problem kan det verka som att HPIV är för komplicerat och felbenäget för att användas för flödesmätningar. Men många imponerande resultat har erhållits med alla holografiska tillvägagångssätt. Svizher och Cohen använde ett hybrid HPIV-system för att studera fysiken i hårnålsvirvlar. Tao et al. undersökte inriktningen av vorticitet och töjningshastighetstensorer i högt Reynolds tal turbulens. Som ett sista exempel, Sheng et al. använde holografisk mikroskopi för att utföra väggnära mätningar av turbulent skjuvspänning och hastighet i turbulenta gränsskikt.

Skannar PIV

Genom att använda en roterande spegel, en höghastighetskamera och korrigera för geometriska förändringar kan PIV utföras nästan omedelbart på en uppsättning plan genom hela flödesfältet. Vätskeegenskaper mellan planen kan då interpoleras. Således kan en kvasi-volumetrisk analys utföras på en målvolym. Skanning av PIV kan utföras i samband med de andra 2-dimensionella PIV-metoderna som beskrivs för att approximera en 3-dimensionell volymetrisk analys.

Tomografisk PIV

Tomografisk PIV är baserad på belysning, registrering och rekonstruktion av spårpartiklar inom en 3D-mätvolym. Tekniken använder flera kameror för att spela in samtidiga vyer av den upplysta volymen, som sedan rekonstrueras för att ge ett diskretiserat 3D-intensitetsfält. Ett par intensitetsfält analyseras med hjälp av 3-D korskorrelationsalgoritmer för att beräkna 3-D, 3-C hastighetsfältet inom volymen. Tekniken utvecklades ursprungligen av Elsinga et al. under 2006.

Rekonstruktionsproceduren är ett komplext underbestämt omvänt problem. Den primära komplikationen är att en enda uppsättning vyer kan resultera från ett stort antal 3D-volymer. Förfaranden för att korrekt bestämma den unika volymen från en uppsättning vyer är grunden för tomografiområdet. I de flesta Tomo-PIV-experiment används den multiplikativa algebraiska rekonstruktionstekniken (MART). Fördelen med denna pixel-för-pixel-rekonstruktionsteknik är att den undviker behovet av att identifiera enskilda partiklar. Att rekonstruera det diskretiserade 3D-intensitetsfältet är beräkningsintensivt och, bortom MART, har flera utvecklingar försökt minska denna beräkningskostnad avsevärt, till exempel den multipla siktlinjes simultan multiplikativa algebraiska rekonstruktionstekniken (MLOS-SMART) som drar fördel av glesheten i 3D-intensitetsfältet för att minska minneslagring och beräkningskrav.

Som en tumregel behövs minst fyra kameror för acceptabel rekonstruktionsnoggrannhet och bästa resultat erhålls när kamerorna placeras i ungefär 30 grader vinkelrätt mot mätvolymen. Många ytterligare faktorer är nödvändiga att överväga för ett framgångsrikt experiment.

Tomo-PIV har applicerats på ett brett spektrum av flöden. Exempel inkluderar strukturen av ett turbulent gränsskikt/chockvågsinteraktion, virvelkraften hos en cylindervåg eller vridande bäryta, aeroakustiska experiment mellan stav och bäryta och för att mäta småskaliga mikroflöden. På senare tid har Tomo-PIV använts tillsammans med 3-D-partikelspårningshastighet för att förstå interaktioner mellan rovdjur och bytesdjur, och en bärbar version av Tomo-PIV har använts för att studera unika simmande organismer i Antarktis.

Termografisk PIV

Termografisk PIV baseras på användningen av termografiska fosforer som ymppartiklar. Användningen av dessa termografiska fosforer tillåter samtidig mätning av hastighet och temperatur i ett flöde.

Termografiska fosforer består av keramiska värdmaterial dopade med joner av sällsynta jordartsmetaller eller övergångsmetaller, som uppvisar fosforescens när de belyses med UV-ljus. Nedbrytningstiden och spektra för denna fosforescens är temperaturkänsliga och erbjuder två olika metoder för att mäta temperatur. Metoden för sönderfallstid består av att fosforescensavklingningen anpassas till en exponentiell funktion och används normalt i punktmätningar, även om det har visats i ytmätningar. Intensitetsförhållandet mellan två olika spektrallinjer för fosforescensemissionen, spårat med spektralfilter, är också temperaturberoende och kan användas för ytmätningar.

De mikrometerstora fosforpartiklarna som används i termografisk PIV sås in i flödet som ett spårämne och, efter belysning med ett tunt laserljusark, kan partiklarnas temperatur mätas från fosforescensen, normalt med hjälp av en intensitetsförhållandeteknik. Det är viktigt att partiklarna är av liten storlek så att de inte bara följer flödet på ett tillfredsställande sätt utan också snabbt antar dess temperatur. För en diameter på 2 µm är den termiska glidningen mellan partikel och gas lika liten som hastighetsglidningen.

Belysning av fosforn uppnås med UV-ljus. De flesta termografiska fosforer absorberar ljus i ett brett band i UV och kan därför exciteras med en YAG:Nd-laser. Teoretiskt sett kan samma ljus användas både för PIV och temperaturmätningar, men det skulle innebära att UV-känsliga kameror behövs. I praktiken överlappas två olika strålar som har sitt ursprung i separata lasrar. Medan en av strålarna används för hastighetsmätningar, används den andra för att mäta temperaturen.

Användningen av termografiska fosforer erbjuder några fördelaktiga egenskaper inklusive förmåga att överleva i reaktiva miljöer och högtemperaturmiljöer, kemisk stabilitet och okänslighet för deras fosforescensemission för tryck och gassammansättning. Dessutom emitterar termografiska fosforer ljus vid olika våglängder, vilket möjliggör spektral diskriminering mot excitationsljus och bakgrund.

Termografisk PIV har visats för tidsgenomsnitt och engångsmätningar. Nyligen har även tidsupplösta höghastighetsmätningar (3 kHz) framgångsrikt utförts.

Artificiell intelligens PIV

Med utvecklingen av artificiell intelligens har det funnits vetenskapliga publikationer och kommersiell programvara som föreslår PIV-beräkningar baserade på djupinlärning och konvolutionerande neurala nätverk. Metodiken som används härrör huvudsakligen från optiska flödesneurala nätverk som är populära inom maskinseende. En datamängd som inkluderar partikelbilder genereras för att träna nätverkens parametrar. Resultatet är ett djupt neuralt nätverk för PIV som kan ge uppskattning av tät rörelse, ner till maximalt en vektor för en pixel om de inspelade bilderna tillåter. AI PIV lovar ett tätt hastighetsfält, inte begränsat av storleken på frågefönstret, vilket begränsar traditionell PIV till en vektor per 16 x 16 pixlar.

Realtidsbearbetning och tillämpningar av PIV

Med den digitala teknikens framsteg blev realtidsbearbetning och tillämpningar av PIV möjliga. Till exempel kan GPU:er användas för att avsevärt snabba upp den direkta Fourier-transformationsbaserade korrelationen av enstaka förfrågningsfönster. På liknande sätt är flerbehandlings-, parallell- eller flertrådsprocesser på flera processorer eller flerkärniga processorer fördelaktiga för distribuerad bearbetning av flera frågefönster eller flera bilder. Vissa av applikationerna använder bildbehandlingsmetoder i realtid, till exempel FPGA-baserad on-the-fly bildkomprimering eller bildbehandling. På senare tid har PIV:s realtidsmätnings- och bearbetningsmöjligheter implementerats för framtida användning i aktiv flödeskontroll med flödesbaserad återkoppling.

Ansökningar

PIV har applicerats på ett brett spektrum av flödesproblem, allt från flödet över en flygplansvinge i en vindtunnel till virvelbildning i hjärtklaffproteser. 3-dimensionella tekniker har sökts för att analysera turbulent flöde och jetstrålar.

Rudimentära PIV-algoritmer baserade på korskorrelation kan implementeras på några timmar, medan mer sofistikerade algoritmer kan kräva en betydande investering av tid. Flera implementeringar med öppen källkod finns tillgängliga. Tillämpningen av PIV i det amerikanska utbildningssystemet har varit begränsad på grund av höga pris- och säkerhetsproblem för PIV-system för industriell forskning.

Granulär PIV: hastighetsmätning i granulära flöden och laviner

PIV kan också användas för att mäta hastighetsfältet för den fria ytan och basalgränsen i granulära flöden såsom de i skakade behållare, tumlare och laviner. Denna analys är särskilt väl lämpad för icke-transparenta medier som sand, grus, kvarts eller andra granulära material som är vanliga inom geofysik. Denna PIV-metod kallas "granulär PIV." Uppställningen för granulär PIV skiljer sig från den vanliga PIV-uppsättningen genom att den optiska ytstrukturen som produceras genom belysning av ytan av det granulära flödet redan är tillräcklig för att detektera rörelsen. Detta innebär att man inte behöver tillsätta spårpartiklar i bulkmaterialet.

Se även

• Digital bildkorrelation
• Hot-wire anemometri
• Laser Doppler hastighetsmätning
• Molekylär märkningshastighet
• Partikelspårningshastighet

Bibliografi

•   Raffel, M.; Willert, C.; Wereley, S.; Kompenhans, J. (2007). Partikelbildshastighet: En praktisk guide . Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-72307-3 .
•   Adrian, RJ; Westerweel, J. (2011). Partikelbildhastighet . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-44008-0 .

Anteckningar

• Adrian, RJ (1991). "Partikelavbildningstekniker för experimentell vätskemekanik". Årlig översyn av vätskemekanik . 23 (1): 261–304. Bibcode : 1991AnRFM..23..261A . doi : 10.1146/annurev.fl.23.010191.001401 .
•    Adrian, RJ (2005). "Tjugo år av partikelbildhastighet". Experiment i vätskor . 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). "Tillämpningar av holografi i vätskemekanik och partikeldynamik". Årlig översyn av vätskemekanik. 42 : 531-555. Bibcode: doi:10.1146/annurev-fluid-121108-145508.
•    Santiago, JG; Wereley, ST; Meinhart, CD; Beebe, DJ; Adrian, RJ (1998). "Ett system för mikropartikelbildhastighet". Experiment i vätskor . 25 (4): 316–319. CiteSeerX 10.1.1.126.466 . doi : 10.1007/s003480050235 . S2CID 123006803 .
• Fouras, A.; Dusting, J.; Lewis, R.; Hourigan, K. (2007). "Tredimensionell synkrotronröntgenpartikelbildhastighet". Journal of Applied Physics . 102 (6): 064916–064916–6. Bibcode : 2007JAP...102f4916F . doi : 10.1063/1.2783978 .
• Wereley, ST; Meinhart, CD (2010). "Senaste framstegen inom mikropartikelbildhastighet". Årlig översyn av vätskemekanik . 42 (1): 557–576. Bibcode : 2010AnRFM..42..557W . doi : 10.1146/annurev-fluid-121108-145427 .

externa länkar

Test och mätning hos Curlie

PIV-forskning vid Laboratory for Experimental Fluid Dynamics ( J. Katz lab)