שכבת הגבול - האזור הדק של נוזל הסמוך משטח מוצק שבו כוחות מולקווס שולטים - הוא מרכיב קריטי בגרור אווירודינמיקה, העברת חום וזרימה הפרדה. Accurate Characterization של שכבות הגבול חיוני כדי לקידוד הביצועים של כנפיים מטוסים, להבים טורבינות, אוניות מדידה מבוססת גבולות, ואינספור מערכות הנדסיות מסורתיות כגון גירוי חם ובדיקה מוטמעית מאפשרת לעתים קרובות את רמות גבוהות של נתונים אלה, אך ורק על ידי פיתוח חשמליות, אך ורק לאחרונה.

יסודות של Particle Image Velocimetry

עקרון הפעלה

PIV הוא טכניקה אופטית, לא פולשנית שמנטרת וקטורים מהירות מיידית מעבר לסעיף חצי-שטחי של זרימה.נוזל הוא מושרש עם חלקיקים קטנים של עקבות - באופן חד-פעמי 1–50 מיקרומטר בקוטר - אשר מניחים לעקוב בנאמנות אחר צפיפות חללים בגודל של קיר דום מאיר מטוס דק בתוך הזרם, ומצלמת מהירות גבוהה ללכוד שתי תמונות מחוסמות על ידי זרימת זמן קצר-ידי מערכת העצבים של חלונות זעירה.

הגבלות PIV קלאסיות עבור שכבות Boundary

בעוד תקן PIV הפך לרכיב מרכזי במעבדות מכניקה נוזלית, כמה מגבלות טבועות מעכבות את היישום שלה לשכבות גבול דקות או גבוהות יותר של עובי סופי של גיליון לייזר מוגבל של פתרון מחוץ למטוס, ואת גודל חלון החקירה (בדרך כלל 32×32 או 16×16 פיקסלים) בממוצע מידע על אזור שיכול להיות גדול יותר מהשכבה עצמה קרוב לקיר, השתקפות לא מספקת, תמונה, צפיפות, וצריכה של טמפרטורה נמוכה יותר של חומרים מסוכנים של התפתחות נמוכה יותר.

התקדמות אחרונה ב-PIV עבור מדדי Boundary Layer Measurements

מיקרו-PIV

מיקרו-PIV מתאים את העיקרון PIV בקנה מידה מיקרוסקופי, המאפשר מדידות בתוך שכבות הגבול כמו כמה מיקרומטרים. על ידי שימוש במטרות מיקרוסקופיות גבוהות של מיקרוסקופיות מיקרוסקופיות ומצלמות CCD או CMOS, החוקרים יכולים לפתור פרופילים מהירות בתוך מיקרומטר, ליד הקצה המוביל של צינורות אוויר, או בטכניקה ביולוגית.

זמן-הזמן-התאושש

תקן PIV בדרך כלל מספק תמונות של זרימת שיעורי החזרה נמוכים (מעט הרץ) זמן-Resolved PIV (TR-PIV) משתמש במצלמות מהירות גבוהה לייזרים דופקים הפועלים בשיעורי קילאהרץ כדי ללכוד את האבולוציה של זמני של מבני שכבת גבול (TR-PIV) יכולת זו חיונית ללמידה של תופעות בלתי יציבות כגון מעבר, זרימה, ו-vortding בתוך שכבת השכבה המהירה של ספקטרום, אפילו ספקטרום של קבוצות של ספקטרום דינמיות (Dposition) יכולות להיות חיוניות לעצימות (אורד-טווח) של פתורות) של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום גבוה של ספקטרום של ספקטרום (או ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום) של ספקטרום) של קבוצות ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום (או ספקטרום) או ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של קבוצות של ספקטרום גבוה של ספקטרום) של קבוצות של ספקטרום גבוה של ספקטרום של ספקטרום גבוה של קבוצות של ספקטרום (שלב קבוע של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של קבוצות של ספקטרום של ספקטרום גבוה של ספקטרום גבוה של ספקטרום של ספקטרום) ספקטרום גבוה של ספקטרום

טום האוטוביוגרפי PIV

Tomographic PIV (Tomo-PIV) מרחיב מדידות מוקרן לשלושה ממדים באמצעות מצלמות מרובות (בדרך כלל 4-6) כדי להקליט תמונות חלקיקים מזווית צפייה שונה.נפח הריבית משוחזר באמצעות טכניקות שיקום אלגבריות, הניבות שלושה שדות מהירות תלת מימדיים בדלפת חלקיקים עבה.עם Tomo-PIV, החוקרים יכולים למדוד את המבנה המלא של שלוש ממדי של גלקסיות גבול טורפות, כולל סוללות מתוחכמות רוחביות ורמות המכילות את המורכבות של מים.

כפול-Plane ו- Stereo PIV

Stereo PIV משתמש בשתי מצלמות צפייה באותו גיליון לייזר מזווית נפרדת כדי לשחזר את רכיב המהירות מחוץ למטוס, נותן שלושה מרכיבים של מהירות במטוס דו-ממדי (3C-2D) זה שימושי במיוחד עבור שכבות הגבול שבו זרם רגיל לקיר הוא משמעותי, כגון באזורים נפרדים או מכשולים קרובים. כפול PIV לוקח את זה עוד על ידי הקלטת שני לייזרים מעוקלים, המאפשרים את המדידות של שלוש שכבות אלה הם נגישים יותר מאשר להשיג לחץ רחב יותר מאשר ⁇ .

High-Resolution ו-Shake-The-Box PTV

Shake-the-Box (STB) הוא אלגוריתם מעקב חלקיקים לאחרונה Lagrangian שמעבד תמונות חלקיקים מפוכחות זמן כדי לעקוב אחר חלקיקים עוקבים בודדים דרך הזרם.בניגוד PIV מבוסס קורלציה, STB מספק הרבה יותר פתרון מרחבי גבוה יותר כי זה לא דורש חלונות חקירה.טכניקה משתמשת בעמדה חלקיקים הססנית ותיקון זמן כדי לאתר חלקיקים מדויקים אפילו גבוה יותר לראות מצבים של שכבת גבול, עבור פיזור חלקיקים, במהירות גבוהה.

עיבוד נתונים מתקדם ולמידה של מכונות

הסתגלות ותיקון

בשכבות גבול, המהירות ⁇ מעבר לחלון החקירה מציגה שגיאות הטיה כי דפוס החלקיקים הוא Sheared. מתאם הסתגלותי (נקרא גם חלון חקירה עיוות) מחלחל באופן רציני את חלונות החקירה לעקוב אחר הזרם המקומי, צמצום אובדן של החולשות ושיפור הדיוק באזורים גבוהים של תוכנת PIV (כגון DaVis LaVision, מ-Danc-Framc-Duntulation, ו-Reacting אלגוריתמים) עם מהירות רב-Rate-Rate.

המונחים: unquitification

מדידות גבולות אמין דורשות אי ודאות קפדנית קוונטית.מחקר עדכני פיתח שיטות לחשב גבולות אי הוודאות עבור כל וקטור מהירות, חשבונאות עבור קוטר תמונה חלקיקים, צפיפות רואה, וכושר פסגה מתאם.זה מאפשר למדענים להעריך אובייקטיבית את האיכות של מדידות ליד קיר לזהות אזורים שבהם הנתונים עשויים להיות לא אמינים.כמה כלי קוד מסחרי ופתוח עכשיו לשלב estimators אי הוודאות כחלק של עיבוד צינורות.

Machine Learning for Flow Reשיקום

למידה עמוקה הפכה את ה-PTS משמעותיים ל- PIV לאחר עיבוד.רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) יכולות לבצע estimation אופטית ישירות מ-PIV זוגות תמונות חלקיקים, לעתים קרובות מניבות שדות מהירות צפופים יותר מאשר קורלציה מסורתית של מעברים (Digital-Discoal-IV) יכולות גם כן לאכוף את משוואות וריאציות של Navier-Stokes במהלך אימון, לייצר שדות עקביים עם שכבת מידע יעילה על פני השטח של שיטות למידה, כלומר, כלומר, או יחידות למידה מהירות גבוהה יותר, כלומר, כלומר, כלומר, כגון רזולוציה מעגליות, כלומר, כלומר, לדוגמה, כלומר, תכונות מהירות גבוהה יותר, כגון רזולוציה של שיטות למידה מרחוק, או רזולוציה של תכונות למידה, או רזולוציה של תכונות מהירות גבוהה יותר, או רזולוציה של תכונות מהירות גבוהה יותר, או רזולוציה של שיטות למידה, כגון רזולוציה של תכונות למידה מעגליות, כגון רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות מהירות גבוהה יותר, או רזולוציה של תכונות למידה, כגון רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות למידה מרחוק, כגון רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה של תכונות מהירות רזולוציה

יישומים בהנדסה ומדע

Aerodynamics ו- Turbomachinery

באירודינמיקה חיצונית, PIV מועסק באופן שגרתי כדי ללמוד את שכבת הגבול הסוערת המתפתחת על כנפי מטוסים, משטחים מתפתלים, ומשטחי בקרה. ssolved ו stereoscopic PIV חשפו את היווצרות של כתמים סוערים במהלך המעבר, הדינמיקה של בועות הפרדה, ואת ההשפעה של פני השטח על חיכוך העור במהירות טרה-רפן, הם מדדים לחץ דם נמוך של תאים אוויריים על ידי קירור גבוה.

הידרודינמיקה ועיצוב אוניות

מדידות שכבתיות כבדות במים מציגות אתגרים ייחודיים בשל צפיפות נמוכה יותר ומגבלות גישה אופטיות.עם זאת, מיקרו-PIV ו- TR-PIV כבר הוצבו בטנקים כדי למדוד את שכבת הגבול על דגמי אוניות, במיוחד באזור ה-Stern שבו זרם ה-DNS מניע התנגדות.

העברת חום ומערכות קירור

מדידת סימולטנית של מהירות וטמפרטורה בשכבות הגבול היא קריטית למחקרי העברת חום.שילוב PIV וטכניקות אדפורוגרפיה phosphor, או PIV עם פלואורסנטיות הנגרמת לייזר (LIF), יכול לספק הן מהירות והן שדות טמפרטורה. שיטות היברידיות אלה כבר הוחלו כדי למנוע קירור סילון, ערוצי החלפת חום, ו רצועות טורבינות מתקדמות PIV מאפשרות חישוב של מערך אחסון גמיש של צינורות אווירו-קו-קו-מתקני חימום כדי לספק את המהירות של קומולינטקטיבית.

זרימה סביבתית ושכבות אטמוספיריות

בקנה מידה גדול יותר, עקרונות PIV מותאמים למדידות שדה של שכבות גבול אטמוספריות.בסיס ריצוף PIV ו- חלקיק רחב תמונה velocimetry (LSPIV) משתמשים במעקב טבעי (למשל שלג, אבק, טיפות ענן) לייזרים בקנה מידה גדול כדי למדוד שדות רוח ליד הקרקע על פני השטח שטוח.

אתגרים וכיוונים עתידיים

החלטה קרובה

הקושי המתמשך ביותר עבור כל טכניקת PIV במחקר שכבת הגבולות הוא להשיג מספיק פתרון קרוב לקיר - עם תת-קרקעית מולקווס (y+ < 5) חלקיקים ליד הקיר לנוע לאט, ואת גודל חלון החקירה מטיל גבול נמוך יותר על העקירה המגבילה (מיקרו-PIV ושיטות מעקב חלקיקים מציעים פתרונות חלקיים, אבל הם מוגבלים למספרים נמוכים או שדות קטנים של התפתחות תת-קרקעית) ללא דיוק גבוה.

Multi-Phase ו-High-Speed Flows

יישומים רבים כרוכים בשכבות גבול מרובותphase (למשל, בועות בזרימי הידרודינמיקה או טיפות בריסוי קירור) לחלץ את המהירות של השלב המתמשך לבד דורש אפליה בין סוגים שונים של חלקיקים, לעתים קרובות מושגת באמצעות פילטרים פלואופטיים.ממדת במהירות גבוהה דחוסים גבולות שכבות (Mach 1) מציבים קשיים נוספים כי הדחיסות משנה את מדד השבירה ואת החלקיק עלול לא לעקוב אחר הדינמיקה של חלקיקים (Dicials) עם ספירת חומרים) עם ספירת חומרים מטבוליים (Dicials 3.

שילוב עם טכניקות מדידה אחרות

שילוב PIV עם חיישנים מתח קיר-שאר, חומרי לחץ, או חיישני טמפרטורה נותן תמונה מלאה יותר של מצב שכבת הגבול. קמפיינים ניסיוניים אחרונים רכוב מערךי לחץ סרט חם גמישים על צלחת שטוח לצד מערכת PIV אמפוגרפית, המאפשר מדידה בו זמנית של חיכוך העור ואת השדה המהיר מדי.

מסקנה

האבולוציה של PIV בעשור האחרון הפכה את מדידת שכבת הגבול מנשישה מאתגרת לתוך מתודולוגיה שגרתית אך רבת עוצמה.טכניקות כגון מיקרו-PIV, ®PIV, ®PIV, אמפוגרפית PIV, ו- Lagrangian חלקיקים מעקב עכשיו לספק זרמי פינות מרחביות וקצבים, אשר היו בעבר התחום הבלעדי של סימולציות חישוביות.

(ב) לקריאה נוספת על טכניקות ספציפיות, ראה את ה-FLT:0LaVision PIV סקירת טכנולוגיה של טכנולוגיית PIV (FLT:1), הספר המקיף FLT:2) "Particle Image Velocimetry: A Practical Guide"FLT 3: על ידי רפאל et al., או סקירה עדכנית של מאמרים ב-FLT:4Annual Review of Fluid MechanicsLTF:5 Open-Resourcesive, כגון: