Table of Contents

הקדמה: למה Particle Image Velocimetry Matters in Fluid Dynamics

Particle Image Velocimetry (PIV) הפך כלי חיוני מכניקת נוזל ניסיוני, המאפשר לחוקרים ללכוד נתונים במהירות מלאה שדה עם דיוק מדהים.בניגוד טכניקות של מאמץ נקודה כגון anemometry חוט חם או לייזר Doppler velocimetry, PIV מספק מפות מהירות מיידית על אזור תוכנית.זה הופך את זה חשוב במיוחד עבור למידה מורכבת, uncony, ולא לייזר לייזר של זרימת דם רחב לתוך זרם דינמי לתוך זרם הדם.

עקרונות יסוד של Particle Image Velocimetry

בליבתו, PIV היא טכניקת הדמיה מבוססת קורלציה.נוזל תחת חקירה מושרש עם חלקיקים זעירים כי הם מניחים לעקוב נאמנה אחרי הזרם ללא להפריע לו. גיליון לייזר דק מאיר מטוס של הזרם, ומצלמת מהירה גבוהה מתעדת שני או יותר תמונות רצופות של חלקיקים מהונדסים.

⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

בחירת החלקיקים הנכונים לראות הוא קריטי. חלקיקים חייב להיות קטן מספיק כדי לעקוב אחר התנועה של נוזל נאמנה (הדברים מספר פחות מ 1) עדיין גדול מספיק כדי לפזר אור מספיק עבור זיהוי חומרים משותפים כוללים:

  • (ב) ⁇ :0) ,5 ; 1FLT:1 ריבועי זכוכית חלולים (10–100 μm), פולימיד חרוזים, או חלקיקים פלואורסנטים לצמצום ההשתקפות הקיר.
  • (ב) ,0) ,Gates Flow:FLT:1 טיפת שמן (DEHS, שמן זית), דו תחמוצת טיטניום (TiO2), או חלקיקים עשן (1-10 μm).
  • (ב) עיין:02-phase זרימה: חלקיקים 1FLT 1 (החלו להתאים את צפיפות השלב או באמצעות התאמה מחדש של אינדקס השבירה.

צפיפות ההתבוננות חייבת להיות גבוהה מספיק כדי להבטיח קורלציה אמינה, אך לא כל כך גבוהה שתמונות חלקיקים חופפות באופן מוגזם, בדרך כלל, 10-25 חלקיקים לחלון החקירה נחשב אופטימלי.

לייזר האילומינאטיון ואימגי

מערכות PIV בדרך כלל להשתמש כפול-פולס Nd:YAG לייזרs (532 nm ירוק) המסוגל לירות שני הדופקים עם היפרצה קצרה מאוד, הסתגלות זמן הפרדה (microIIs to מילימטרים) לייזר beam הוא בצורת גיליון דק באמצעות cylindrical ו spherical עדשות spherical. - בדרך כלל בין 0.5 מ"מ ל 2 מ"מ - מ"מ - משמיצים את המדידה בנפח של כמה מצלמות מהירות לייזר, כמו 2 - 4D.

סוגים של מערכות PIV וידויים

במהלך שלושת העשורים האחרונים התפתח PIV משיטת תכנון פשוטה 2D למשפחה של טכניקות חזקות.הבחירה תלויה במורכבות זרימת הדם וברזולוציה המרחבית / הזמנית הנדרשת.

2D Planar PIV

התצורה הבסיסית ביותר: מצלמה אחת מתעדת את האור מפוזר על ידי חלקיקים בגיליון לייזר יחיד.הוא מניב שני מרכיבים מהירים (למשל, v) במטוס של גיליון זה מספיק עבור הרבה זרימת תלת-ממדית יציבה ומתישה.הטכניקה היא פשוטה ליישום ולהישאר סוס העבודה של מעבדות רבות.

Stereo PIV (2D-3C)

באמצעות שתי מצלמות מסודרים בזווית של אובליק ללוח הלייזר, סטריאו PIV מחלים את כל שלושת רכיבי המהירות (למשל, v, w) בתוך המטוס המואר.הרכיב מחוץ למטוס הוא מופר מהבדל בין שתי השקפות המצלמה באמצעות טכניקות קיטוב (למשל, מודל פיטורים או מיפוי תלת-ממדי).

Tomographic PIV (3D-3C)

הגישה המתקדמת ביותר של תוכנית.3 או יותר מצלמות להציג נפח לייזר עבה (למשל, 5-10 מ"מ) אלגוריתמים לשיקום אלגברי (כמו MART - Multiplicative Algebraic Reשיקום Revision) לשחזר את חלוקת חלקיקים תלת מימד בתוך נפח. ואז צלב תלת מימדי מניב כל שלושה מרכיבים מהירים על פני שטח תלת מימדי אמיתי.

מיקרו-PIV (μPIV)

הסתגלות של PIV עבור זרימת microscale (ערוצי 10-500 μm) במקום גיליון לייזר, תאורה נפחית משמשת, ואת עומק השדה של מטרת המיקרוסקופ מגדיר את המטוס המדידה. חלקיקים פלואורסנט ופילטרים ארוכי טווח מדכאים רעש רקע. μPIV הוא בשימוש נרחב microfluidics, זרימה ביולוגית, וחום מחקרים בקנה מידה קטן.

מהירות גבוהה PIV

באמצעות לייזרים מתקדמים ומצלמות מהירות, PIV במהירות גבוהה לוכד רצף של שדות מהירות פתורים.זה מאפשר מחקר של תופעות טרנסיות, תזרים פרצות וניתוח ספקטרלי של זעזועים.מערכות מודרניות יכולות לרכוש נתונים ב 10-50 kHz, ומספק תצוגה של זמן-מסולפת של האבולוציה.

שלב אחר-שלב PIV Data Process chain

המרת תמונות גולמיות לשדות מהירות כוללת מספר שלבים, אשר כולם משפיעים על דיוק ורזולוציה.

  1. (FLT:0) תמונה קודמת לעיבוד: FLT:1ir רקע תת-טראומה, נורמליזציה אינטנסיבית וסינון (למשל, הפחתה של מינימום או משמעות תת-קרקעי) כדי להסיר השתקפות לייזר ו תאורה לא אחידה.
  2. (FLT:0) בחירת חלון בין-דור: תמונות מחולקות לחלונות רבועים (בדרך כלל 32×32 או 64×64 פיקסלים) הבחירה ממאזןת את ההחלטה המרחבית (חלונות קטנים) כנגד אינטנות קורלציה (חלונות גדולים מכילים יותר חלקיקים).
  3. (FLT:0Cross-correlation Analysis: ההרחבה:ראה LT:1) כל חלון בתמונה A הוא תואם עם אזור חיפוש בתמונה B. Peak זיהוי במפה הקורלציה נותן את וקטור העקיר עם דיוק תת-פיקסל (למשל, באמצעות שיא Gaussian מתאים).
  4. (FLT:0) והסרת חוץ:ראה LT:1 , וקטורים טוהר מזוהה על ידי סינון מסנן תיווך, בדיקות Histogram נורמלי, או השוואות RMS. וקטורים לא חוקיים מוחלפים על ידי התערבות של שכנים.
  5. (ב) ⁇ :0 (ה-Post-מעבד: 1FLT) שדות Vector חלק (למשל, מסנן גאוסי) כדי להפחית את הרעש. קשקשים כגון מערבות, שיעור זנים, ולחצים של ריינולדס יכולים להיות מחושבים מ ⁇ מרחבי.
  6. (FLT:0) ,Ensemble averaging: ההרחבה 1 (Fortexary Flow, מאות או אלפי שדות מיידיים בממוצע כדי להשיג פרופילים מהירים וסטטיסטיקות סוערות.

תוצאות חיפוש עבור PIV ב- Experimental Fluid Mechanics

PIV הוחל על פני כמעט כל ענף של דינמיקות נוזליות. להלן דוגמאות מפורטות הממחישות שלה.

אווירי ואווירנאוטיקה

בבדיקת מנהרות רוח, PIV ממפה את זרימת האוויר סביב צינורות, כנפיים, ומודלים שלמים של מטוסים.זה מגלה בועות הפרדה, מערבות מובילות על כנפי דלה, ועורר זעזועים.לדוגמה, מחקרים על NACA 4412 Airfoil בזווית גבוהה של שימוש בהתקפה כדי ללכוד מנגנונים.PIV אימות ישיר של דינמיות נוזליות חישוביות (CD) , הפחתת מספר לחץ גדול של לחץ על מנת ללכוד סימולציות.

רכב ו- Turbomachinery

חוקרי אווירודינמיקה של רכב משתמשים ב- PIV כדי לחקור הפרדה זרימה מעל מראות צדדיות, A-pillars, ו- underbody diffusers. in turbomachinery, PIV מדידות בתוך שורות להב רוטט (למשל, דחוסים או טורבינות) דורשים רכישה מובעת בשלב.מהירות גבוהה PIV לוכדת את האינטראקציה הבלתי יציבה בין רכיבים רוטטים, סיוע עיצוב של מנועי יעיל יותר.

הנדסה ביולוגית

PIV מספק נתונים בצורתיים במודלים קרדיווסקולריים. Stereo PIV של נוזל דם-מימתיק העתקים שקוף של עורקים (למשל, מחסנים קרטואיד) חושף אזורי שחזור הקשורים טרשת עורקים הקשורים טרשת עורקים.מיקרו-PIV לזרום במיקרו-PIV ובתאים סביב, נותן תובנות לאספקת תרופות ו- mechanotrans.

זרימה סביבתית וגיאופיזיקה

שדה PIV (נקרא לעתים קרובות PIV בקנה מידה גדול) משתמש במעקב טבעי כמו פתיתי שלג, אבק או בועות מבולות למדידת שדות רוח בשכבת הגבול האטמוספרית.ב הנדסה הידראולית, PIV מוחל בערוצים פתוחים כדי לחקור תחבורה של סימנט ומבנים סוערים ליד מיטות הנהר.

תהליכים תעשייתיים

כורים כימיים, ערבוב טנקים, ו תרסיס nozzles תועלת מניתוח PIV.הבנת תבניות ערבוב טורחות מסייע אופטימיזציה יעילות התגובה. in combustion, PIV בשילוב עם פלואורescence מושרה לייזר (LIF) בו זמנית מודד מהירות וריכוז מינים, מתן תמונה מלאה של דינמיקת להבה.

היתרונות של PIV על שיטות מדידה זרימה אחרות

מדדים מלאים

בניגוד לחקירות מחווטות חמות או צינורות פיטו המדורגים בנקודה אחת, PIV מספק מפה מהירה מיידית שלמה.זה חיוני ללכידת מבני זרימה שאינם ידועים מראש.

לא פולשני

אין בדיקה לתוך הזרם, ולכן המדידה אינה מפריעה לתופעה שבמחקר, חשוב במיוחד לזרמים עדינים כמו נוזלים ביולוגיים או זעזועים רגישים.

החלטה גבוהה

מודרני PIV יכול להשיג וילון קטן כמו 0.1 מ"מ (עבור מיקרו-PIV) לכמה מ"מ (במנהרות רוח גדולות) זה מספיק כדי לפתור מערבות ושכבות Shear.

גמישות

PIV עובד בגזים, נוזלים, וזרמים רב-phase.עם גישה נכונה אופטית, ניתן ליישם אותה בסביבות קיצוניות (טמפרטורה גבוהה, לחץ גבוה, או ואקום).

אתגרים ומגבלות

למרות כוחו, PIV יש מגבלות טבועות שכל ניסיוני חייב לשקול.

עלויות ומורכבות

מערכת תכנון טיפוסית PIV עולה $50,000 $ 150,000 עבור לייזר, מצלמה, אופטיקה ותוכנה. Tomographic או מהירות גבוהה ההתקנה יכול לעלות על $ 300 אלף.

גישה אופטית

ההתקנה דורשת חלון שקוף (או ⁇ בנוזל עם התאמת אינדקס השבירה) כדי לאפשר את גיליון הלייזר בתוך והאור המפוזר החוצה. גיאמטריה תעשייתית רבים אינם מספקים גישה כזו.

אובדן מחוץ ל-Plane

ב 2D PIV, אם חלקיקים עוברים מתוך גיליון לייזר בין החשיפה, הקורלציה היא degraded. Stereo PIV מקטין את האפקט הזה, אך לא מבטל אותו לחלוטין.

תגית: Particle Lag

בזרימת גז מהירה או גלי הלם, חלקיקים עשויים לא לעקוב אחר האצות נאמנה (מספר סטוקסים פינטיט) זה מציג שגיאות שיטתיות. בדומה, בזרימות עם ⁇ צפיפות חזקה (למשל, בעירה), מהירות חלקיקים יכולה להתנתק מהמהירות הנוזלית.

המונחים:

עיבוד אלפי תמונות ברזולוציה גבוהה עם שיקום אמפוגרפיים יכול לקחת שעות או ימים, בעוד GPUs להאיץ את המשימה, זה נשאר צוואר בקבוק עבור יישומים בזמן אמת או ליד זמן אמת.

המונחים: unquitification

מדידות PIV נושאות מקורות שגיאה מרובים: תזמון Jitter, meta- Image עקירת חלקיקים (מנעול peak), חלון חקירות averaging, ו- non-uniform רואה שיטות מודרניות (למשל, אי-ודאות מבוססת מזהמים, או שימוש בתמונות סינתטיות) מסייעות לכמת אלה, אבל ניתוח אי-ודאות יסודי עדיין אינו סטנדרטי בכל המעבדות.

כיוונים עתידיים והתקדמות

Shake-the-Box (STB) ו Lagrangian Particle Tracking

פרדיגמה חדשה בשם "Shake-the-Box" (שתפתח ב-DLR Göttingen) משלבת תמונות מרובות-ההפך עם זיהוי חלקיקים וחיפוש אחר.זה מניבה מסלולים חלקיקים בודדים על פני רצף ארוך, ומספקת שדות האצה ולחץ ⁇ s מן הנוצר החומרי STB מציעה פתרון מרחבי גבוה משמעותית מאשר PIV אוטוביוגרפי, במיוחד עבור זרימת מטושטשת.

זמן אמת PIV

עם כניסתם של מערך השערים הניתנים לחיזוי שדה (FPGAs) ואלגוריתמים מתאמים מהירים, PIV בזמן אמת הוא כעת אפשרי עבור בקרת תהליכים ו ניטור מנהרות רוח.מהירות של 10-40 שדות וקטור לשנייה מאפשרת למפעילים להתאים את מיקום המודל או את תנאי זרימת האוויר על זבוב.

PIV בשילוב עם טכניקות אחרות

שיטות היברידיות כגון PIV /PLIF (תכנון לייזר הנגרמת על ידי לייזר פלואורescence) או PIV /schlieren לספק מהירות במקביל ומדידות שדה מדרגר.זה הוא חזק במיוחד עבור בעירה, ערבוב, ומחקרי העברת חום.

Miniaturization ו- Portable Systems

מערכות PIV המופעלות על ידי סוללות באמצעות לייזרים של מדינת מוצק ומצלמות קטנות מתעוררות לשימוש שדה.מערכות במשקל מתחת 10 ק"ג הוצבו על מל"טים קטנים או מנהרות מים למדידות זרימה סביבתית.

למידה מכונה עבור PIV

גישות למידה עמוקות (למשל, רשתות עצביות אבולוציה) משמשות להחליף את הקרוס-קורלציה עם estimation זרימה אופטית מקצה לקצה.שיטות כגון FLT:0PIV-D CNNFLT 1 יכול להתמודד עם עקירה גדולה יותר ⁇ s ולהפחית רעש, למרות שהם דורשים נתונים הכשרה נרחבים.

Best Practices for a Successful PIV Experiment

כדי להשיג תוצאות אמינות, החוקרים צריכים לעקוב אחר ההנחיות האלה:

  • בצע קללה זהירה: השתמש במטרה מיקרומטר-טרבורד או צלחת dot-grid כדי למפות לתאם את התמונה לקואורדינטות פיזיות.
  • אופטימיזציה של זמן הפרדת הדופק ( ⁇ t) כך חלקיקים נעים 4-8 פיקסלים בין החשיפה. גדול מדי מוביל לאובדן מחוץ למטוס; קטן מדי מייצר טווח דינמי עני.
  • בדוק איכות: להבטיח הפצה אחידה, ריכוז הולם, והיעדר חלקיקים לדבוק קירות.
  • אימות ההתקנה האופטית: צמצם את ההשתקפות על ידי משטחים ציפוי עם צבע אנטי-reflective או באמצעות חלקיקים פלואורסנט עם מסנן ארוך טווח.
  • לבצע מחקר התכנסות: לרכוש מספיק דגימות עצמאיות סטטיסטיות כדי לקבל משמעות יציבה וכמויות סוערות.
  • אי-וודאויות מסמכים: דיווח על שגיאות שיטתיות ואקראיות בהתאם לתקני AIAA או DIN עבור PIV.

מסקנה

Particle Image Velocimetry כבר התבגרה בטכניקת מדידה אמינה, מלאה שדה, אשר מתחת לאינספור תגליות מכניקה נוזלית.האבולוציה שלה מתכנון 2D של תוכנית מיזמים במהירות גבוהה, 3D, ו- Machine-learning-enhanced מערכות משקף את הדחף הבלתי נלאי של השדה לפרטים ודיוק גדול יותר. בעוד אתגרים נשארים - במיוחד בעלות, גישה אופטית, ואי-ודאות ניסיונית - על ידי פיתוח לייזר, אך חיישנים מתקדמים, אך ורק על ידי מערכת לייזר, אך ורק על ידי מערכת לייזר, אך אינה יכולה להמשיך לפתח אלגוריתמים, אך ורק על ידי מערכת חישובית, אך ורק על ידי אלגוריתמים, אך ורק על ידי אלגוריתמים, אך ורק על ידי אלגוריתמים, אך ורק על ידי מערכת לייזר, אך ורק על ידי מערכת לייזר, אך ורק על ידי מערכת חישובית, אך ורק על ידי מערכת מתקדמת, אך ורק על ידי מערכת מתקדמת יותר, אך ורק על ידי מערכת חישובית, אך ורק על ידי כך היא מתקדמת יותר, אינה יכולה להמשיך אלגוריתמים, אך ורק כדי להמשיך את האלגוריתמים, אך ורק כדי להמשיך אלגוריתמים, אך ורק על ידי כך שעדיין לא ניתן להמשיך את האלגוריתמים, אך ורק כדי להרחיב

(ב) [ה] [ה]] לקראת התורה והפרקטיקה, ראה את הספר הקלאסי (FLT:1Particle Image VelocimetryFLT:2 על ידי רפאל, וילרט, היולי, ו-Mopenhans, או לבקר משאבים טכניים מיצרנים מובילים כגון FLT 3:Dantec DynamicsFLT:4 ו-FLT5:5:LaVisionFalrated, 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7FLT 7)