.jpg/1280px-Summer_School_Fluid_Dynamics_of_Sustainability_and_the_Environment_(34874208054).jpg)
Велосиметрия — это измерение скорости жидкостей . Это задача, которую часто принимают как должное, и она включает в себя гораздо более сложные процессы, чем можно было бы ожидать. Она часто используется для решения проблем динамики жидкостей , изучения сетей жидкостей, в промышленных и технологических приложениях управления, а также при создании новых видов датчиков потока жидкости . Методы велосиметрии включают в себя велосиметрию с использованием изображений частиц и велосиметрию с отслеживанием частиц , велосиметрию с использованием молекулярной маркировки , лазерную интерферометрию , ультразвуковые доплеровские методы, доплеровские датчики и новые методологии обработки сигналов .
В общем случае измерения скорости производятся в системах отсчета Лагранжа или Эйлера (см. Лагранжевы и Эйлеровы координаты ). Методы Лагранжа присваивают скорость объему жидкости в заданное время, тогда как методы Эйлера присваивают скорость объему области измерения в заданное время. Классическим примером различия является велосиметрия с отслеживанием частиц, где идея состоит в том, чтобы найти скорость отдельных частиц трассера потока (лагранжева) и велосиметрия с изображением частиц, где цель состоит в том, чтобы найти среднюю скорость в пределах подобласти поля зрения (эйлерова). [1]
Велосиметрию можно проследить до времен Леонардо да Винчи , который пускал семена травы по течению и зарисовывал полученные траектории семян, которые он наблюдал (измерение Лагранжа). [2] В конечном итоге визуализации потоков да Винчи использовались в его сердечно-сосудистых исследованиях, в попытке узнать больше о кровотоке по всему телу человека. [3]
Методы, подобные методам да Винчи, применялись около четырехсот лет из-за технологических ограничений. Еще одно примечательное исследование было проведено Феликсом Саваром в 1833 году. Используя стробоскопический инструмент, он зарисовал удары струи воды. [3]
В конце 19 века в этих технологиях был сделан огромный прорыв, когда стало возможным фотографировать потоки. Одним из примечательных примеров этого является Людвиг Мах, использовавший частицы, неразличимые невооруженным глазом, для визуализации линий тока. [4] Другой примечательный вклад был сделан в 20 веке Этьеном-Жюлем Мареем , который использовал фотографические методы для введения концепции дымовой коробки. Эта модель позволяла отслеживать как направления потока, так и скорость, поскольку более близкие линии тока указывали на более быстрый поток. [3]
Совсем недавно высокоскоростные камеры и цифровые технологии произвели революцию в этой области, открыв возможность использования гораздо большего количества методов и визуализации полей течения в трех измерениях. [3]
Сегодня основные идеи, установленные Леонардо, те же самые; поток должен быть засеян частицами, которые можно наблюдать выбранным методом. Засеянные частицы зависят от многих факторов, включая жидкость, метод измерения, размер области измерения и иногда ожидаемые ускорения в потоке. [5] Если поток содержит частицы, которые можно измерить естественным образом, засеивание потока не нужно. [6]
Пространственная реконструкция трубок потока жидкости с использованием изображений трассера с большой экспозицией может применяться для визуализации линий тока, высокоскоростной вариометрии стационарных потоков с высоким разрешением. [7] Временная интеграция велосиметрической информации может использоваться для суммирования потока жидкости. Для измерения скорости и длины на движущихся поверхностях используются лазерные поверхностные велосиметры . [8]
Жидкость обычно ограничивает выбор частиц в соответствии со своим удельным весом; частицы в идеале должны иметь ту же плотность, что и жидкость. Это особенно важно в потоках с высоким ускорением (например, высокоскоростной поток через 90-градусное колено трубы). [9] Более тяжелые жидкости, такие как вода и масло, поэтому очень привлекательны для велосиметрии, тогда как воздух представляет собой 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, были успешно реализованы в воздухе. [10] Частицы, используемые для засева, могут быть как жидкими каплями, так и твердыми частицами. Твердые частицы предпочтительны, когда необходимы высокие концентрации частиц. [9] Для точечных измерений, таких как лазерная доплеровская велосиметрия , для выполнения измерения достаточно частиц в диапазоне диаметров нанометров, таких как частицы в сигаретном дыме. [6]
В воде и масле можно использовать разнообразные недорогие промышленные шарики, например, покрытые серебром полые стеклянные сферы, изготовленные в виде проводящих порошков (диаметром в 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 шума самолетов. Этот шум создается высокоскоростным смешиванием горячего реактивного выхлопа с температурой окружающей среды. PIV использовался для моделирования этого поведения. [13]
Кроме того, допплеровская велосиметрия позволяет использовать неинвазивные методы определения того, имеют ли плоды надлежащие размеры на данном сроке беременности. [14]
Велосиметрия также применялась к медицинским изображениям для получения региональных измерений кровотока и движения тканей. Первоначально стандартный PIV (освещение в одной плоскости) был адаптирован для работы с рентгеновскими изображениями (освещение полного объема), что позволило измерять непрозрачные потоки, такие как кровоток. Затем это было расширено для исследования регионального 2D движения легочной ткани и было обнаружено, что это чувствительный индикатор регионального заболевания легких. [15]
Велосиметрия также была расширена до 3D региональных измерений кровотока и движения тканей с помощью новой техники — компьютерной томографической рентгеновской велосиметрии — которая 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 кросс-корреляции модели с кросс-корреляцией из последовательности 2D-изображений и повторяет модельное решение до тех пор, пока разница между кросс-корреляциями модели и кросс-корреляциями последовательности изображений не будет минимизирована. Эта техника используется как неинвазивный метод количественной оценки функциональной производительности легких. Она используется в клинических условиях, [17] и применяется в клинических испытаниях, проводимых такими учреждениями, как Университет Дьюка , [18] Медицинский центр Университета Вандербильта [19] и Университет медицинских наук Орегона [20].
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь ){{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )