Giriş: Parçacık Görüntü Velocimetri Akışkanlardaki Maddeler

Parçacık Image Velocimetri (PIV) deneysel sıvı mekaniklerinde vazgeçilmez bir araç haline geldi, araştırmacıların tam zamanlı olarak tam alan hız verileri dikkate değer bir doğrulukla yakalamasını sağladı. Sıcak-tel aeronemometri veya lazer Doppler velocimetri gibi farklı alanlardan farklı olarak, PIV, karmaşık ve yerine gelen akışlar için anlık bir hız haritalarını sunuyor.

Parçacık Görüntü Velocimetrinin Temel İlkeleri

Anada, PIV bir korelasyon tabanlı görüntüleme tekniğidir. Soruşturma altında sıvı küçük sorgulayıcı partikülleri ile toplanıp, maruz kalma algoritmaları ile akışları rahatsız etmeden takip etmeyi varsaymaktadır. İnce bir lazer sayfası, görüntünün zaman gecikmesini ve yüksek hızlı kamera kayıtlarının iki veya daha fazla ardışık görüntülerle bölünür.Bu görüntülerin her pencereye bölünmesiyle, iki boyutlu bir alana kadar geçiş algoritmalarının en büyük yerinden edilmeleri belirlenir.

Tohumlama Parçacık: PIV

Doğru tohumlama partiküllerini seçmek kritiktir. Parçacıklar, sıvının hareketini sadık bir şekilde takip etmek için yeterince küçük olmalıdır (Stokes sayı 1'den daha az 1) ancak algılama için yeterli ışık saçmak için yeterince büyük.

  • [FONT:0]Liquid akışlar:[Döntgen:[Döntgen: 0) Boş cam küreler (10-100 μm), poliamid boncuklar veya duvar yansımaları için floresan parçacıklar.
  • [FONT=0)Gas akışları: [Dönder: Petrol damlacıkları (DEHS, zeytinyağı), titanyum dioksit (TiO2) veya duman partikülleri (1-10 μm).
  • [[Dönemli akışlar:[Dönemli: 0,0) İki fazlı akışlar:[Dönemli akışlar:[Dönemli: 1) Bir fazın yoğunluğuna veya reraktif indeks eşleştirme kullanarak seçilmiş parçacıklar.

Tohumlama yoğunluğu güvenilir korelasyon sağlamak için yeterince yüksek olmalıdır, ancak parçacık görüntüleri aşırı derecede örtüştüğü kadar yüksek olmamalıdır. Tipik olarak, sorgulanan penceredeki 10-25 parçacığı optimal olarak kabul edilir.

Lazer Illumination ve Görüntüleme

PIV sistemleri genellikle iki kat daha az Nd:YAG lazerleri (532 nm yeşil) çok kısa, ayarlanabilir zaman ayırımı (mikrosanları 4-16 milisaniye) ile ısıtılır. Lazer kirişleri birkaç cm'yi ince bir sayfaya kadar çeker, partikülleri yakalamak - genellikle 0,5 mm ve 2 mm arasında - her iki inçlik bir ölçümde ölçüm hacmini iki satırdan farklı bir şekilde tanımlar. Yüksek hızlı kameralar, genellikle 4-16 megapik çözünürlük ve çerçeve oranları ile birlikte.

PIV Systems ve Yapılandırma Türleri

Son üç yılda, PIV basit 2D planlayıcı yönteminden güçlü tekniklere dönüştü. Seçim akış karmaşıklığına ve uzaysal gerekli / tekmeli kararlara bağlıdır.

2D Planar PIV

En temel konfigürasyon: tek bir lazer sayfasındaki parçacıklar tarafından dağıtılan ışık kaydeder.Bu, sayfanın uçaktaki iki hız bileşeni (u, v) verir. Bu, birçok sabit ve hafif üç boyutlu akış için yeterlidir.

Stereo PIV (2D-3C)

İki kamerayı kullanarak, lazer levhasına oblique açılarında ayarlanan iki kamera şovunu kullanarak, stereo PIV tüm üç hız bileşeni (u, v, w) aydınlatılmış uçaktaki akışlar için gereklidir.In out-of-of-of-of-of-plane component, vortices veya swl flows gibi.

Tomografik PIV (3D-3C)

En gelişmiş planar yaklaşımı. Üç veya daha fazla kamera kalın bir lazer hacmini görüyor (örneğin, 5-10 mm). Algebraic tomografik rekon algoritmaları (örneğin MART gibi -Multiplicative Algebraic Reconstruction Teknik) 3D parçacığın hacmindeki dağılımını yeniden yapılandırıyor.

Micro-PIV (μPIV)

PIV'in mikro ölçekli akışlara adaptasyonu (kanlar 10-500 μm) Bir lazer levhası yerine, volumetrik aydınlatma kullanılır ve mikroskop amacının alanı ölçüm uçağı tanımlar. Fluorescent Parçacıklar ve uzun-pass filtreleri baskılı gürültü. μPIV mikrofluidics, biyolojik akışlar ve ısı transfer çalışmaları küçük ölçeklerde yaygın olarak uygulanır.

Yüksek Hızlı PIV

KHz-düze lazerler ve hızlı kameralar kullanarak, yüksek hızlı PIV zaman çözümleyici hız alanlarının zamanlarını yakalamasını sağlar. Bu, geçici fenomenlerin, akışların çalışmasını sağlar ve turbulence analizi. Modern sistemler 10-50 kHz, akış evriminin zaman çözüldüğünü elde edebilir.

Adım-by-Step PIV Data Processing Chain

Çiğ görüntüleri hız alanlarına dönüştürmek, çeşitli aşamaları içerir, bunların hepsi doğruyu ve kararlarını etkiler.

  1. [FONT:0]Ortalama öncesi işlemler: Arka plan çıkarma, yoğunluk normalleştirme ve filtreleme (örneğin, en az veya dışlama) lazer yansımalarını ve eşitsiz aydınlatmayı kaldırmak için.
  2. [FONT=0)Straterogation cam seçimi:[Döneticiler kare pencerelere bölünmüşlerdir (tipik olarak 32 ×32 veya 64×64 piksel). Seçim dengeleri uzaysal çözümü (küçük pencereler) korelasyona karşı dengeler (daha fazla partikül içerir).
  3. [FONT:0)Cross-correlation analizi:[Dönetici:[Dönetici: 0) Görüntüdeki her pencere B. Peak algılamasında, korelasyon haritasındaki yer değiştirme vektörünü alt-pispik doğrulukla verir (örneğin, Gaussian top fitnesini kullanarak).
  4. [FONT:0]Validation and outlier remove:) Spurious vektörler medyan filtreleme, normalleştirilmiş histogram çekleri veya RMS karşılaştırmaları tarafından belirlenir.Invalid vektörleri komşulardan gelen apolasyon ile değiştirilir.
  5. [FONT:0)Post-işlem:[Dönetici:[Dönetici:0)) Vector alanları düzgün bir şekilde dekore edilmiştir (örneğin Gaussian filtre) gürültüyü azaltmak için.Basiyonellik, suskunluk oranı ve Reynolds stresleri gibi miktarlar uzaysal gradyanlardan hesaplanabilir.
  6. [FONT:0)Ensemble averating:[Döneticisel sabit akışlar için, yüzlerce veya binlerce anlık alan, hız profillerini ve türbülan istatistikler elde etmek için ortalama olarak verilir.

Deneysel Akışkanlar Mekaniğindeki PIV Uygulamaları

PIV neredeyse her sıvı dinamiğinin bir kolunda uygulanır. Aşağıda, kendi malsalığını gösteren ayrıntılı örnekler vardır.

Havacılık ve Havacılık

Rüzgar tüneli testinde, PIV haritaları havafoilleri, kanatlar ve tüm uçak modellerini ortaya koyar.Bu, yüksek çözünürlükte bulunan 22012 havafoilleri ve yüksek düzeydeki saldırılar için PIV verileri doğrudan hesaplamalı akışkan dinamikleri (CFD) simülasyonları gösterir ve büyük sayıda baskı musluk dokunuşlarını azaltır. Örneğin, NACA 4412 havafoil üzerinde çalışmalar için PIV kullanımı PIV verileri doğrudan doğrulamaktadır.

Otomotiv ve Turbomakry

Otomotiv aerodinamik araştırmacılar, PIV'i yan aynalar, A-piller ve dönen bileşenler arasında akış ayrımını araştırmak için kullanıyor ve daha verimli motorlarda PIV ölçümlerini yapıyor.

Biyomedikal Mühendisliği

PIV, kardiyovasküler modellerde sayısal akış verileri sağlar. Mikro-PIV önlemleri mikroveler ve hücrelerde akış sağlar, ilaç ve hücre mechanotransduction.

Çevre ve Jeofizik Akışları

Alan PIV (bazen büyük ölçekli PIV olarak adlandırılır) nehir yatağının yakınında doğal izler, toz veya kara balonlar gibi doğal izler kullanır.

Endüstriyel Süreçler

Kimyasal reaktörler, tankları karıştırır ve sprey nozulları PIV analizinden yararlanır. Türbülans karıştırma desenleri optimize reaksiyon verimliliğini optimize eder. Yanan, PIV lazer ile kombine edilmiş floresan (LIF) aynı anda hız ve tür konsantrasyon sağlar, tam bir alev dinamikleri resmi sağlar.

PIV'in diğer Akış ölçüm teknikleri üzerinde avantajları

Full-Field Ölçüm

Tek bir noktada ölçen sıcak kabloların veya Pitot tüplerinin aksine, PIV tüm anlık bir hız haritası sunar. Bu, önceden bilinen akış yapıları yakalamak için çok önemlidir.

Non-Intrusive

Hiçbir araştırma akışına eklenmez, bu yüzden ölçüm, fenomeni çalışma altında rahatsız etmez. Bu özellikle biyolojik sıvılar veya hassas türbülans gibi hassas akışlar için önemlidir.

Yüksek Spasal Karar

Modern PIV, vektörü 0.1 mm ( mikro-PIV) birkaç milimetreye kadar (büyük rüzgar tünelleri) kadar küçük bir şekilde vortices ve hear tabakalarını çözmeye yetecek kadar yeterlidir.

Flexability

PIV gazlarda, sıvılarda ve multi-faze akışlarında çalışır. Doğru tohumlama ve optik erişimle, aşırı ortamlarda (yüksek sıcaklık, yüksek basınç veya vakum) uygulanabilir.

Meydanlar ve Sınırlar

Onun gücüne rağmen, PIV her deneyselistin dikkate alınması gereken doğal kısıtlamalara sahiptir.

Maliyet ve Kompleksi

Tipik bir plan PIV sistemi, lazer, kamera, optik ve yazılım için 50.000 $ - $ 150,000 $ - $ 150,000 $. Tomografik veya yüksek hızlı kurulumlar 300,000'i aşabilir. Ayrıca, lazer ve kameraların kesin hizalanması yetenekli personel gerektirir.

Optik Erişim

Kurulum, bir sıvıya uygun reraktif indekse sahip bir sıvıya ihtiyaç duyar (veya immersion) ve dağınık ışıklara izin vermek gerektirir. Birçok endüstriyel geometri bu tür erişim sağlamaz.

Out-of-Plane Kayıp

2D PIV'de, eğer parçacıklar maruz kalmalar arasındaki lazer levhadan hareket ederse, korelasyon bozuldu. Stereo PIV bu etkiyi azaltır ancak tamamen ortadan kaldıramaz.Zorpular tamamen yardımcı olabilir, ancak uçak dışı kararlarını azaltır.

Tohumlama ve Parçacık Lag

Yüksek hızlı gaz akışlarında veya şok dalgalarında, parçacıklar güvenle takip edilemez (sonsuz Stoklar sayısı). Bu, güçlü yoğunluk yüksek lisanslarla akışlarda (örneğin, yanma) hızlar akışkan hızdan çıkabilir.

C ⁇ Load

Tomografik rekontrü ile binlerce yüksek çözünürlüklü görüntüyü işlemek, görevin hızlandırılmasına rağmen gerçek zamanlı veya yakın zamanlı uygulamalar için şişenck kalır.

Uncertainty Quantification

PIV ölçümleri birden fazla hata kaynağı taşır: zamanlama jitter, parçacık-image yerinden etme (peak kilitleme), sorgulayıcı pencereyi bir şekilde şekillendirme ve non-uniform tohumlama. Modern yöntemler (örneğin, korelasyon temelli belirsizlik tahmini veya sentetik görüntülerin kullanımı) bu hataların hesaplanmasına yardımcı olur, ancak tüm laboratuarlarda ayrıntılı bir belirsizlik analizi henüz standart değildir.

Son gelişmeler ve Future Yollar

Shake-the-Box (STB) ve Lagrangian Parçacık Takip

Yeni bir paradigma “Shake-the-Box” (DLR Göttingen'de gelişmiş) çok yönlü görüntüleri özellikle de kanal akışları ile birleştirir.Bu, uzun dizilerdeki bireysel parçacık trajektörlerini verir ve malzeme türevlerinden hız alır. STB özellikle de tomografik PIV'den daha yüksek uzaysal çözünürlük sunar.

Gerçek Zaman PIV

Alan programlanabilir kapı dizilerinin (FPGA) ve hızlı korelasyon algoritmalarının gelişiyle, gerçek zamanlı PIV şimdi işlem kontrolü ve rüzgar tünel izlemesi için mümkün.İkinci olarak 10-40 vektör alanlarının hızları, operatörlerin model konumunu veya akış koşullarını ayarlamasına izin verir.

Diğer Tekniklerle birlikte PIV Kombine

PIV/PLIF (planar lazer-indüklenen flores) veya PIV /schlieren gibi Hibrit yöntemler, eşanlamlı ve ısı transfer çalışmaları için özellikle güçlü.

Miniaturization and Portable Systems

Kompakt, katı devlet lazerleri ve küçük kameraları kullanan batarya-işlemli PIV sistemleri, 10 kg altında tartan sistemler, küçük dronelarda veya su tünellerinde çevresel akış ölçümler için kullanılıyor.

PIV için Makine Öğrenme

Derin öğrenme yaklaşımları (örneğin, konvolutional sinir ağları) son derece optik akış tahminleri ile çapraz-korelasyon yerine geçmek için kullanılır. Yöntemler:0)PIV-DCNN) daha büyük yerinden edilmeleri ve gürültüyü azaltabilir, ancak kapsamlı eğitim verileri gerektirir.

Başarılı Bir PIV Deneyleri için En İyi Uygulamalar

Güvenilir sonuçlar elde etmek için, araştırmacılar bu yönergeleri takip etmelidir:

  • Dikkatli bir kalibrasyon yapın: bir mikrometre-traversed hedef veya görüntü koordinatları fiziksel koordinatlara haritalamak için bir dot-grid plaka kullanın.
  • Nabzı ayrılık süresini optimize edin (345) böylece parçacıklar maruz kalanlar arasında 4-8 piksel hareket eder. Çok büyük ihtimalle uçaktaki kayıplara yol açar; çok küçükler zayıf dinamik aralığı üretir.
  • Tohumlama kalitesini kontrol edin: üniforma, yeterli konsantrasyon sağlamak ve duvarlara bağlı parçacıkların yokluğu.
  • Optik kurulumu geçerli: Anti-reflektif boya ile kaplama yüzeyleri ile en aza indirmek veya uzun süreli bir filtre ile floresan partikülleri kullanmak.
  • Bir yakınlık çalışması uygulayın: istikrarlı bir şekilde ifade ve türbülans miktarlarını elde etmek için yeterli istatistiksel olarak bağımsız örnekler edin.
  • Dokümanlar belirsiz: AIAA veya DIN gibi standartları takip eden sistematik ve rastgele hatalar PIV için rapor edin.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Parçacık Image Velocimetri, yüksek hızlı bir şekilde optimize edilmiş sistemlere kadar uzanan güvenilir, tam alan ölçüm tekniğine olgunlaşmıştır.PIV zorlukları genellikle maliyet, optik erişim ve belirsizlik ölçümleme - lazer teknolojisindeki ilerlemeler, kamera sensörleri ve hesaplama algoritmaları, ve hesaplama algoritmaları, alan destekli sistemlerin sınırlarını genişletmeye devam eder. herhangi bir deneysel akışkan mechanician için sürekli olarak, masterIV zorlukla - maliyetle, optik erişim ve belirsizlik ölçümleme - lazer teknolojisindeki ilerlemeler - lazer teknolojisindeki ilerlemeler - devam eder.

[FONT:0) PIV teorisi ve uygulama hakkında daha fazla okuma için, klasik ders kitabının [Döneticileri] ve ) Raffel tarafından, Willert, Wasley ve Kompenhans tarafından, veya teknik kaynakları yönetici olarak ziyaret edin.