stringtranslate.com

Скорость

Краситель в жидкости может помочь осветить пути движения жидкости. Это самый простой пример скорости.

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]

История

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]

В качестве визуализатора использовался дым, аналогичный технике, которую популяризировал Марей.

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]

Методы

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]

Векторное поле, созданное в результате PIV-анализа вихрей.

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]

Соответствующие приложения

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]

Основа для четырехмерной визуализации легких

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].

Внешние ссылки

Рекомендации

  1. ^ Бэтчелор, ГК (Джордж Кейт) (2002). Введение в гидродинамику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66396-2. ОСЛК  800027809.
  2. ^ Гариб, М.; Кремерс, Д.; Кочесфахани, М.; Кемп, М. (2002). «Видение Леонардо визуализации потока». Эксперименты с жидкостями . 33 (1): 219–223. Бибкод : 2002ExFl...33..219G. дои : 10.1007/s00348-002-0478-8. ISSN  0723-4864. S2CID  9577969.
  3. ^ abcd Фермижье, Марк (сентябрь 2017 г.). «Использование изображений в механике жидкости». Comptes Rendus Mécanique . 345 (9): 595–604. дои : 10.1016/j.crme.2017.05.015 . ISSN  1631-0721.
  4. ^ Раффель, Маркус; Виллерт, Кристиан Э.; Уэрли, Стив Т.; Компенханс, Юрген (2007). Скорость изображения частиц . дои : 10.1007/978-3-540-72308-0. ISBN 978-3-540-72307-3.
  5. ^ Ридер, Марк Ф.; Крафтон, Джим В.; Эстевадеордал, Хорди; ДеЛапп, Джозеф; МакНил, Чарльз; Пельтье, Дон; Рейнольдс, Тина (18 ноября 2009 г.). «Чистый посев для визуализации потока и измерений скорости». Эксперименты с жидкостями . 48 (5): 889–900. дои : 10.1007/s00348-009-0784-5. ISSN  0723-4864. S2CID  120422467.
  6. ^ AB Майлз и Ричард Б.; Лемперт, Уолтер Р. (1997). «Количественная визуализация потока в незасеянных потоках». Ежегодный обзор механики жидкости . 29 (1): 285–326. Бибкод : 1997AnRFM..29..285M. doi : 10.1146/annurev.fluid.29.1.285. ISSN  0066-4189.
  7. ^ Кейнан, Элиэзер; Эзра, Елисей; Нахмиас, Яаков (5 августа 2013 г.). «Измерение скорости изображения без частоты кадров для микрофлюидных устройств». Письма по прикладной физике . 103 (6): 063507. Бибкод : 2013ApPhL.103f3507K. дои : 10.1063/1.4818142. ISSN  0003-6951. ПМК 3751964 . ПМИД  24023394. 
  8. ^ Труакс, Брюс Э.; Демарест, Фрэнк С.; Соммаргрен, Гэри Э. (1983). «Лазерный доплеровский велосиметр для измерения скорости и длины движущихся поверхностей». Конференция по лазерам и электрооптике . Вашингтон, округ Колумбия: OSA: WN6. дои : 10.1364/cleo.1983.wn6.
  9. ^ аб Меллинг, А (1 декабря 1997 г.). «Частицы-трассеры и затравка для измерения скорости изображения частиц». Измерительная наука и технология . 8 (12): 1406–1416. Бибкод : 1997MeScT...8.1406M. дои : 10.1088/0957-0233/8/12/005. ISSN  0957-0233. S2CID  250844330.
  10. ^ Адриан, Рональд Дж. (1991). «Методы визуализации частиц для экспериментальной механики жидкостей». Ежегодный обзор механики жидкости . 23 (1): 261–304. Бибкод : 1991AnRFM..23..261A. doi : 10.1146/annurev.fl.23.010191.001401. ISSN  0066-4189.
  11. ^ Течет, Александра Х .; Белден, Джесси Л. (2007). «Визуализация границы мелкомасштабных прибойных волн». АПС . 60 : ГК.001. Бибкод : 2007APS..DFD.GK001T.
  12. ^ ДЖОНС, ГРЕГОРИ; ГАРТРЕЛЛ, ЛЮТЕР; КАМЕМОТО, ДЕРЕК (8 января 1990 г.). «Исследование эффектов засева в системах лазерных велосиметров». 28-е совещание по аэрокосмическим наукам . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. Бибкод : 1990aiaa.meetV....J. дои : 10.2514/6.1990-502.
  13. ^ «Проливая свет на тайны высокоскоростных горячих струй». НАСА . 2019. Архивировано из оригинала 05 октября 2006 г.
  14. ^ Капонис, Апостол; Харада, Такаши; Макридимас, Джордж; Кияма, Томоики; Арата, Казуя; Адонакис, Джордж; Цапанос, Василис; Ивабе, Томио; Стефос, Теодорос; Декавалас, Джордж; Харада, Тасуку (2011). «Важность венозной допплеровской велосиметрии для оценки задержки внутриутробного развития». Журнал ультразвука в медицине . 30 (4): 529–545. дои : 10.7863/jum.2011.30.4.529 . ISSN  1550-9613. ПМИД  21460154.
  15. ^ Фурас, Андреас; Эллисон, Бет Дж.; Кухня, Маркус Дж.; Дубски, Стивен; Нгуен, Джейн; Хуриган, Керри; Сиу, Карен К.В.; Льюис, Роб А.; Уоллес, Меган Дж.; Хупер, Стюарт Б. (01 мая 2012 г.). «Измененное движение легких является чувствительным индикатором регионального заболевания легких». Анналы биомедицинской инженерии . 40 (5): 1160–1169. дои : 10.1007/s10439-011-0493-0. ISSN  1573-9686. PMID  22189492. S2CID  254193228.
  16. ^ Дубский, С.; Джеймисон, РА; Ирвайн, Южная Каролина; Сиу, KKW; Хуриган, К.; Фурас, А. (11 января 2010 г.). «Компьютерная томографическая рентгеновская велосиметрия». Письма по прикладной физике . 96 (2): 023702. дои : 10.1063/1.3285173. ISSN  0003-6951.
  17. ^ «Технология XV | Новый метод выявления заболеваний легких» . 4DМедицинский . Проверено 15 сентября 2022 г.
  18. ^ Университет Дьюка (27 июля 2022 г.). «Функциональная визуализация легких 4DX в диагностике хронической дисфункции аллотрансплантата легких после трансплантации легких». 4D Медицина. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  19. ^ Ричмонд, Брэдли (29 августа 2022 г.). «Применение нового алгоритма визуализации (4DX) для диагностики констриктивного бронхиолита». Медицинский центр Университета Вандербильта, 4D Medical. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  20. ^ Хан, Акрам (30 июня 2021 г.). «Вентиляционный дисбаланс при легкой и умеренной хронической обструктивной болезни легких». Орегонский университет здравоохранения и науки, 4D Medical. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )