Sınır tabakası - uçakların performansını optimize etmek için ince bir bölge, gemi hulls ve diğer sayısız mühendislik sistemleri, aerodinamik sürükleme, ısı transferinde kritik bir unsur ve sınır tabakalarının doğru karakterizasyonu, bu sık sık kullanılan uzaysal yapıları yakalamak için önemlidir. son iki on iki yılda, Parçacık Görüntü Velocimetri (PIV) tümünde daha önce görülmemiş bir ölçüm yöntemlerine sahip olmak için güçlü bir sınır analizi ve sayısal ölçümler için daha önce doğrulayıcı yöntemlere yol açıyor.
Parçacık Görüntü Velocimetrinin Temelleri
İşletim Prensibi
PIV, küçük izleyici parçacıklarla ayrılmış - görüntüler küçük sorgulayıcı pencerelere bölünmüştür - akıtlı bir şekilde akış içinde ince bir düzlemde keskin bir şekilde takip etmeyi varsayılır.Bu, iki değişkenli görüntüyü, bilinen bir zaman aralığı ile ayrılmıştır.
Klasik PIV Sınırları Boundary Katmans
Standart PIV, sıvı mekanik laboratuvarlarda bir temel haline geldi, birkaç doğal sınırlama uygulamasını ince veya yüksek sesleniş sınır tabakalarından daha büyük hale getirdi. Lazer tabakasının sonlu kalınlığı, hem de yüksek dinamik aralıkları yakalamak için gerekli olan (yaklaşık 32×32 veya 16×16 piksel) sınır tabakanın kendisini tanımlayan bir bölgenin gelişimine engel oldu. Yakın duvarların yansımaları, yetersiz parçacık görüntüsü yoğunluğu ve yüksek dinamik aralığı ve her iki serbest akış ve düşük seviyeli alanı yakalamak için ihtiyaç.
PIV'deki son gelişmeler Boundary Katman Ölçümleri için
Micro-PIV
Mikro-PIV PIV prensibini mikroskop genişliğine adapte eder, hava kanallarının önde gelen kenarlarına veya biyolojik akışlara bağlı olarak ölçümler sağlar.Seks mikroskop hedeflerini ve yüksek çözünürlüklü CCD veya CMOS kameralarını kullanarak, araştırmacılar yüksek görüntü arka planlarından kaçınmak için, son uygulamadaki mikro kanaldaki hız profillerini çözemezler.
Zaman Çözüldü PIV
Standart PIV genellikle düşük tekrar oranlarında akış anlık görüntüler sağlar (birkaç tane onuntz). Zaman-Re çözülmemiş PIV (TR-PIV) ikinci olarak çalışan yüksek hızlı kameraları ve puls lazerleri kullanır, araştırmacıların zamansal sınır tabaka yapılarına ulaşmalarına izin verir.Bu yetenek geçiş, akış ayrımı ve sınır katmanı içinde kokpitler gibi fenomenleri incelemek için önemlidir.
Tomografik PIV
Tomografik PIV (Tomo-PIV) birçok kamerayı kullanarak üç boyutlu ölçümler genişletir (tipik olarak 4–6) farklı görüntüleme açılarından parçacık görüntülerini kaydetmek için. İlgi hacmi cebirsel rekonsasyon tekniklerini yeniden yapılandırır, karmaşık bir plakada üç boyutlu hız alanlarının kullanımını içerir.To Tomo-PIV, araştırmacılar uzaysal çözünürlüğünü artırmak için tam üç boyutlu yapısal çözünürlükte bulunan sabit devreleri ölçebilir.
Çift Plan ve Stereo PIV
Stereo PIV, aynı lazer levhasını, dışsal hız bileşenini kurtarmak için ayrı açılardan takip eder ve uçaktaki üç boyutlu düzlemde üç tane hız katmanı sağlar (3C-2D). Bu yaklaşımlar, standart tomografik kurulumlar ve sınır tabakalarında yaygın olarak kullanılan sınır tabakaları için daha erişilebilirdir.
Yüksek Çözünürlük ve Shake-The-Box PTV
Shake-The-Box (STB) son bir Lagrangian parçacık takip algoritması, zaman çözümlenmiş parçacık görüntülerinin akış yoluyla bireysel izleyici parçacıkları takip etmesini sağlar.SIV, STB, vius alt katmanına kıyasla, son derece yüksek çözünürlükte duvara sahip olmak gerektirmez.Teknik olarak, yüksek çözünürlükte parçacıkları doğru bir şekilde bulmak için değişkenleri doğru bir şekilde bilgi sağlar.
Gelişmiş Veri İşleme ve Makine Öğrenmesi
Adaptasyon ve Pencere Deformasyon
Sınır tabakalarında, sorgulayıcı penceredeki hız hataları ortaya koyar çünkü parçacık deseni oared. Adaptasyonel bir korelasyon (ayrıca sorgulayıcı pencere deformasyonu olarak adlandırılır) yerel akışları takip etmek için sorgulayıcı pencereleri uygular, yüksek kullanım bölgelerindeki doğrulukları azaltır. Modern PIV yazılım paketleri (LaVision'dan gelen akış gibi, Dantec Dynamics'ten üst düzeye kadar yüksek frekanslı algoritmaları uygular)
Uncertainty Quantification
Güvenilir sınır tabaka ölçümleri titiz bir belirsizlik ölçüm talep eder. Son araştırma, her hız vektörü için belirsizlik sınırlarını hesaplamak için yöntemler geliştirdi, parçacık görüntü çapı, tohumlama yoğunluk ve korelasyon üst şekli için muhasebe. Bu, deneyselistler yakın duvar ölçümlerini objektif olarak değerlendirmelerini ve verilerin güvenilmez olduğunu tanımlamak için sağlar. Birkaç ticari ve açık kaynak aracı şimdi işlem hattının bir parçası olarak belirsizlikleri içerir.
Akış Yeniden Yapın için Makine Öğrenme
Derin öğrenme PIV post-processing'e önemli bir yol açtı. Convolutional sinir ağları (CNNs) eğitim sırasında optik akış tahminlerini doğrudan parçacık görüntü çiftlerinden, sık sık sık yoğun hız alanlarının, geleneksel çapraz doldurma boşluklarından daha da önemlisi, fizik-inbilgisiz ağların bölgelerinden (NPIN) elde edebilir, eğitim sırasında gölgelerin değerlendirilmesi, görüntü veri ve fiziksel olarak gerçekçi olan doğrusal olmayan verilerin sabitlenmesi ile tutarlı bir şekilde çözülür.
Mühendislik ve Bilim Uygulamaları
Aerodinamik ve Turbomakry
Dış aerodinamikte, PIV, balon ayrılıklarının dinamiklerini incelemek için rutin olarak çalışmaktadır ve turbomakle, bıçak sınırı tabakaları yüksek hızlı PIV kullanarak, profil kayıplarını optimize etmek ve videografi PIV'in son çalışmasını göstermiştir.
Hidrodinamik ve Gemi Tasarımı
Sudaki açık katman ölçümleri, özellikle de akışların ve optik erişim kısıtlamalarının düşük olması nedeniyle eşsiz zorluklar mevcut. Bununla birlikte, mikro-PIV ve TR-PIV, Shake-The-Box'un kullanımı için tankları kullanarak, özellikle de, bir tür sınır tabakasındaki çizgileri yakalamak için bir su kanalında gösterilmiştir. Araştırmacılar, düşük çözünürlükte ve düşük çözünürlükte düşük çözünürlükte düşük çözünürlükte yüksek çözünürlükte daha iyi bir şekilde sabitlenebilir.
Heat Transfer ve Soğutma Sistemleri
Sınır tabakalarında hız ve sıcaklık ölçümü, hava transfer çalışmaları için kritiktir. Kombinasyon PIV ve termografik fosfor teknikleri, veya PIV ile planlı lazer kaynaklı floreseli ısı transferleri (LIF), hem hız hem de sıcaklık alanları sağlayabilir. Bu hibrit yöntemler, jet soğutma, ısı değiştirici kanalları ve film soğutmalı türbine alternatifleri sağlamak için uygulanabilir. Gelişmiş PIV teknikleri, konvective ısı transfer katlarını viskous subkatında ölçülmüş hız alanından hesaplamaları sağlar.
Çevre Akışları ve Atmospheric Boundary Katmans
Daha büyük ölçekli boyutlarda, PIV ilkeleri atmosfer sınırı katmanlarının alan ölçümlerine adapte edilir.Yer tabanlı kapaklı PIV ve büyük ölçekli parçacık görüntü velocimetri (LSPIV) doğal izcler (örneğin, kar, toz veya bulut damlacıkları) ve yüksek güç lazerleri düz arazi üzerinde ölçmek için idealdir. Bu ölçümler rüzgar enerjisi siting, kirletici dağıtım modelleri ve türbünlü fluxes kullanımı ve akışları anlamak.
Meydanlar ve Gelecek Yollar
Yakındaki -Wall Çözümü
Sınır tabaka araştırmalarında herhangi bir PIV tekniği için en ısrarlı zorluk, duvardaki eğimli çözümü çok yakın bir şekilde elde etmektir - düşük Reynolds alt tabaka (y+ < 5). Duvarın yakınındaki izler parçacıkları yavaş hareket eder ve sorgulayıcı pencere büyüklüğü ölçülebilir bir yerliğe sahiptir. Micro-PIV ve parçacık takip yöntemleri kısmi çözümler sunar, ancak düşük Reynolds sayıları veya küçük görünüm alanları ile sınırlı.
Çok fazlaPhase ve High-Speed Flows
Birçok uygulama çoklu fazlı içerir (örneğin, hidrodinamik akışlarda balonlar veya sprey soğutmada damlacıklar). Sürekli fazın hızını tek başına farklı parçacık türleri arasında ayrımcılığa ihtiyaç duyar, genellikle fluorsan tohumlama ve optik filtreleme ile elde edilir. Yüksek hızlı > yüksek çözünürlükte siyonel sınır tabakaları (Mach 1) ek zorluklar oluşturur çünkü yoğunluk değişkenleri reraktif indeksi değiştirir ve parçacık dinamikleri akışları yeterince takip edemez.
Diğer ölçüm teknikleri ile entegrasyon
PIV'i duvar-s prova stres sensörleri ile birleştirmek, baskı transdüsers veya sıcaklık sensörleri, sınır tabakasının durumunu daha tam bir resim sunar. Son deneysel kampanyalar, bir tomografik PIV sistemi ile birlikte düz bir plaka üzerinde esnek ısıtılmış, cilt sürtünmesinin ve aşırı hız alanının aynı zamanda doğrulanmasına olanak sağlar.
Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç
PIV'in son on yılda evrimi, bir zamanlar veri işlemedeki özel simülasyonlar alanına sahip olan sınır tabakası ölçümünü değiştirdi.Tüzükleerli bir şekilde PIV, tomografik PIV ve Lagrangian parçacığının gelişimi, şimdi, uzaysal ve zamansal olarak zengin bir veri akışına sahip olduğu gibi, PIV'in verileri işlemedeki ilerlemeler -özellikle de doğrusal olmayan bir şekilde makine öğrenimi ve belirsizlik - bu ölçümler için doğrulanmış PIV'i artırdı.
Belirli teknikler hakkında daha fazla okuma için, Raffel et al. veya son inceleme için , Mekaniklerin Kapsamlı İncelemesi)Particle Görüntü Velocimetri: Pratik bir Rehber.[DÜye Olmayanlar İçindekiler[DÜye Olmayanlar İçin Tıklayınız.[Döneticiler için kaynaklar”).[Döneticileri sınır tabakalarında çalışmaya başlamak için de değerli kaynaklar.