Велосиметрия – это измерение скорости жидкостей . Эту задачу часто воспринимают как должное, и она включает в себя гораздо более сложные процессы, чем можно было бы ожидать. Его часто используют для решения задач гидродинамики , изучения гидросистем, в приложениях для управления промышленными и технологическими процессами , а также при создании новых типов датчиков расхода жидкости . Методы велосиметрии включают велосиметрию по изображению частиц и велосиметрию с отслеживанием частиц , велосиметрию с молекулярной меткой , лазерную интерферометрию , ультразвуковые доплеровские методы, доплеровские датчики и новые методологии обработки сигналов .
Как правило, измерения скорости проводятся в лагранжевой или эйлеровой системе отсчета (см. Лагранжевы и эйлеровы координаты ). Лагранжевы методы присваивают скорость объему жидкости в данный момент времени, тогда как методы Эйлера присваивают скорость объему области измерения в данный момент времени. Классическим примером различия является велосиметрия с отслеживанием частиц, идея которой состоит в том, чтобы найти скорость отдельных частиц-трассировщиков потока (лагранжиана), и велосиметрия изображений частиц, где цель состоит в том, чтобы найти среднюю скорость в подобласти поля вид (эйлеров). [1]
Велоциметрию можно проследить до времен Леонардо да Винчи , который пускал семена трав в поток и рисовал результирующие траектории движения семян, которые он наблюдал (лагранжево измерение). [2] В конце концов, визуализации потока да Винчи были использованы в его исследованиях сердечно-сосудистой системы, в попытке узнать больше о кровотоке во всем человеческом теле. [3]
Методы, подобные методам да Винчи, применялись почти четыреста лет из-за технологических ограничений. Еще одно примечательное исследование было проведено Феликсом Саваром в 1833 году. Используя стробоскопический инструмент, он зарисовал удары водяных струй. [3]
В конце 19 века в этих технологиях произошел огромный прорыв, когда появилась возможность фотографировать структуры потоков. Ярким примером этого является использование Людвигом Махом частиц, неразрешимых невооруженным глазом, для визуализации линий тока. [4] Еще один заметный вклад был сделан в 20 веке Этьеном-Жюлем Маре , который использовал фотографические методы, чтобы представить концепцию дымового ящика. Эта модель позволяла отслеживать не только направления потока, но и скорость, поскольку более близкое расположение линий тока указывает на более быстрый поток. [3]
Совсем недавно высокоскоростные камеры и цифровые технологии произвели революцию в этой области. что позволяет использовать гораздо больше методов и отображать поля потока в трех измерениях. [3]
Сегодня основные идеи, установленные Леонардо, остались прежними; поток должен быть засеян частицами, которые можно наблюдать выбранным методом. Затравочные частицы зависят от многих факторов, включая жидкость, метод измерения, размер области измерения и иногда ожидаемое ускорение потока. [5] Если поток содержит частицы, которые можно измерить естественным путем, засев потока не требуется. [6]
Пространственная реконструкция каналов потока жидкости с использованием изображений трассера с длительной выдержкой может применяться для визуализации линий тока, велосиметрии, высокоскоростной измерения скорости стационарных потоков с высоким разрешением без частоты кадров. [7] Временная интеграция скоростной информации может использоваться для суммирования расхода жидкости. Для измерения скорости и длины на движущихся поверхностях используются лазерные поверхностные измерители скорости . [8]
Жидкость обычно ограничивает выбор частиц в зависимости от ее удельного веса; частицы в идеале должны иметь ту же плотность, что и жидкость. Это особенно важно в потоках с большим ускорением (например, высокоскоростное течение через 90-градусное колено трубы). [9] Таким образом, более тяжелые жидкости, такие как вода и масло, очень привлекательны для измерения скорости, тогда как воздух создает проблему в большинстве методов, поскольку редко удается найти частицы той же плотности, что и воздух.
Тем не менее, даже методы измерения больших полей, такие как PIV, успешно применяются в воздухе. [10] Частицы, используемые для посева, могут быть как каплями жидкости, так и твердыми частицами. Твердые частицы предпочтительнее, когда необходимы высокие концентрации частиц. [9] Для точечных измерений, таких как лазерная доплеровская скорость , частиц в нанометровом диапазоне диаметров, таких как частицы в сигаретном дыме, достаточно для выполнения измерения. [6]
В воде и масле можно использовать множество недорогих промышленных шариков, таких как покрытые серебром полые стеклянные сферы, изготовленные из проводящих порошков (диапазон диаметров десятки микрометров), или другие шарики, используемые в качестве отражателей и текстурирующих агентов в красках и покрытиях. . [11] Частицы не обязательно должны быть сферическими; во многих случаях можно использовать частицы диоксида титана. [12]
PIV использовался в исследованиях по контролю авиационного шума. Этот шум создается высокоскоростным смешиванием выхлопных газов горячей струи с температурой окружающей среды. PIV использовался для моделирования такого поведения. [13]
Кроме того, допплеровская велоциметрия позволяет неинвазивными методами определить, имеет ли плод правильный размер на данном сроке беременности. [14]
Велоциметрия также применялась к медицинским изображениям для получения региональных измерений кровотока и движения тканей. Первоначально стандарт PIV (освещение в одной плоскости) был адаптирован для работы с рентгеновскими изображениями (освещение полного объема), что позволяло измерять непрозрачные потоки, такие как кровоток. Затем этот метод был расширен для исследования регионального 2D-движения легочной ткани и оказался чувствительным индикатором регионального заболевания легких. [15]
Велоциметрия также была расширена до 3D-региональных измерений кровотока и движения тканей с помощью нового метода — компьютерной томографической рентгеновской велоциметрии, — который использует информацию, содержащуюся в кросс-корреляции PIV, для извлечения 3D-измерений из последовательностей 2D-изображений. [16] В частности, компьютерная томографическая рентгеновская велосиметрия генерирует модельное решение, сравнивает взаимные корреляции модели с взаимной корреляцией из последовательности двумерных изображений и выполняет итерацию решения модели до тех пор, пока не будет найдена разница между взаимными корреляциями модели и взаимная корреляция последовательности изображений сведена к минимуму. Этот метод используется как неинвазивный метод для количественной оценки функциональных характеристик легких. Он используется в клинических условиях [17] и в клинических исследованиях, проводимых такими учреждениями, как Университет Дьюка , [18], Медицинский центр Университета Вандербильта [19] и Университет медицинских наук Орегона [20].
{{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь ){{cite journal}}
: Требуется цитировать журнал |journal=
( помощь )