Велосиметрия с помощью изображений частиц ( PIV ) — оптический метод визуализации потока , используемый в образовании [1] и исследованиях. [2] [3] [4] [5] [6] Он используется для получения мгновенных измерений скорости и связанных с ними свойств в жидкостях . Жидкость засевается трассерными частицами , которые, для достаточно малых частиц, как предполагается, точно следуют динамике потока (степень, в которой частицы точно следуют потоку, представлена числом Стокса ). Жидкость с увлеченными частицами освещается так, что частицы видны. Движение засевных частиц используется для расчета скорости и направления ( поля скоростей ) изучаемого потока.
Другие методы, используемые для измерения потоков, — это лазерная доплеровская велосиметрия и анемометрия с горячей проволокой . Главное отличие PIV от этих методов заключается в том, что PIV создает двумерные или даже трехмерные векторные поля , в то время как другие методы измеряют скорость в точке. Во время PIV концентрация частиц такова, что можно идентифицировать отдельные частицы на изображении, но не с уверенностью отслеживать их между изображениями. Когда концентрация частиц настолько мала, что можно отслеживать отдельную частицу, это называется велосиметрией отслеживания частиц , в то время как лазерная спекл -велосиметрия используется в случаях, когда концентрация частиц настолько высока, что трудно наблюдать отдельные частицы на изображении.
Типичный аппарат PIV состоит из камеры (обычно цифровой камеры с чипом прибора с зарядовой связью (CCD) в современных системах), стробоскопа или лазера с оптическим устройством для ограничения физической освещенной области (обычно цилиндрической линзы для преобразования светового луча в линию), синхронизатора , действующего как внешний триггер для управления камерой и лазером, затравочными частицами и исследуемой жидкостью. Волоконно-оптический кабель или жидкостный световод могут соединять лазер с установкой линзы. Программное обеспечение PIV используется для постобработки оптических изображений. [7] [8]
Измерение скорости частиц по изображению (PIV) — это неинтрузивный метод оптического измерения потока, используемый для изучения схем и скоростей потока жидкости . PIV нашел широкое применение в различных областях науки и техники, включая аэродинамику , горение, океанографию и биожидкости . Развитие PIV можно проследить до начала 20-го века, когда исследователи начали изучать различные методы визуализации и измерения потока жидкости.
Ранние дни PIV можно отнести к новаторской работе Людвига Прандтля , немецкого физика и инженера, которого часто считают отцом современной аэродинамики. В 1920-х годах Прандтль и его коллеги использовали методы теневого фотографирования и шлирена для визуализации и измерения схем течения в аэродинамических трубах . Эти методы основывались на разнице показателей преломления между интересующими областями жидкости и окружающей средой для создания контраста на изображениях. Однако эти методы были ограничены качественными наблюдениями и не обеспечивали количественных измерений скорости.
Ранние установки PIV были относительно простыми и использовали фотопленку в качестве носителя изображения. Лазер использовался для освещения частиц, таких как капли масла или дым, добавляемых в поток, и результирующее движение частиц фиксировалось на пленке. Затем пленки проявлялись и анализировались для получения информации о скорости потока. Эти ранние системы PIV имели ограниченное пространственное разрешение и были трудоемкими, но они давали ценную информацию о поведении потока жидкости.
Появление лазеров в 1960-х годах произвело революцию в области визуализации и измерения потоков. Лазеры обеспечивали когерентный и монохроматический источник света, который можно было легко фокусировать и направлять, что делало их идеальными для оптической диагностики потоков. В конце 1960-х и начале 1970-х годов такие исследователи, как Артур Л. Лавуа, Эрве Л. Дж. Х. Скойер и Адриан Фурио, независимо друг от друга предложили концепцию измерения скорости изображения частиц (PIV). Первоначально PIV использовался для изучения воздушных потоков и измерения скорости ветра, но вскоре его применение распространилось на другие области динамики жидкостей .
В 1980-х годах развитие приборов с зарядовой связью (ПЗС) и методов цифровой обработки изображений произвело революцию в PIV. ПЗС-камеры заменили фотопленку в качестве носителя для записи изображений, обеспечив более высокое пространственное разрешение , более быстрый сбор данных и возможности обработки в реальном времени. Методы цифровой обработки изображений позволили проводить точный и автоматизированный анализ изображений PIV, значительно сократив время и усилия, необходимые для анализа данных.
Появление возможностей цифровой обработки изображений и компьютерной обработки в 1980-х и 1990-х годах произвело революцию в PIV, что привело к разработке передовых методов PIV, таких как многокадровый PIV, стерео-PIV и PIV с временным разрешением. Эти методы позволили достичь более высокой точности, более высокого пространственного и временного разрешения и трехмерных измерений, расширив возможности PIV и сделав возможным его применение в более сложных системах потока.
В последующие десятилетия PIV продолжал развиваться и продвигаться в нескольких ключевых областях. Одним из значительных достижений стало использование двойной или множественной экспозиции в PIV, что позволило измерять как мгновенные, так и усредненные по времени поля скорости. PIV с двойной экспозицией (часто называемый «стерео PIV» или «стерео-PIV») использует две камеры для захвата двух последовательных изображений с известной задержкой по времени, что позволяет измерять трехкомпонентные векторы скорости в плоскости. Это обеспечило более полную картину поля потока и позволило изучать сложные течения, такие как турбулентность и вихри.
В 2000-х годах и позже PIV продолжал развиваться с разработкой мощных лазеров, высокоскоростных камер и передовых алгоритмов анализа изображений. Эти достижения позволили использовать PIV в экстремальных условиях, таких как высокоскоростные потоки, системы сгорания и микромасштабные потоки, открывая новые горизонты для исследований PIV. PIV также был интегрирован с другими методами измерения, такими как измерения температуры и концентрации, и использовался в новых областях, таких как микромасштабные и наномасштабные потоки, гранулированные потоки и аддитивное производство.
Развитие PIV было обусловлено разработкой новых лазерных источников, камер и методов анализа изображений. Достижения в области лазерных технологий привели к использованию мощных лазеров, таких как лазеры Nd:YAG и диодные лазеры , которые обеспечивают повышенную интенсивность освещения и позволяют проводить измерения в более сложных условиях, таких как высокоскоростные потоки и системы сгорания. Также были разработаны высокоскоростные камеры с улучшенной чувствительностью и частотой кадров, что позволяет захватывать явления переходного потока с высоким временным разрешением. Кроме того, были разработаны передовые методы анализа изображений, такие как алгоритмы на основе корреляции, фазовые методы и алгоритмы машинного обучения , для повышения точности и эффективности измерений PIV.
Другим важным достижением в области PIV стала разработка алгоритмов цифровой корреляции для анализа изображений . Эти алгоритмы позволили более точно и эффективно обрабатывать изображения PIV, обеспечивая более высокое пространственное разрешение и более высокую скорость сбора данных. Различные алгоритмы корреляции, такие как кросс-корреляция , корреляция на основе преобразования Фурье и адаптивная корреляция, были разработаны и широко использовались в исследованиях PIV.
PIV также выиграл от развития моделирования вычислительной гидродинамики (CFD), которое стало мощным инструментом для прогнозирования и анализа поведения потока жидкости. Данные PIV могут быть использованы для проверки и калибровки моделирования CFD, и, в свою очередь, моделирование CFD может предоставить информацию об интерпретации и анализе данных PIV. Сочетание экспериментальных измерений PIV и численного моделирования позволило исследователям глубже понять явления потока жидкости и привело к новым открытиям и достижениям в различных научных и инженерных областях.
В дополнение к техническим достижениям, PIV также был интегрирован с другими методами измерения, такими как измерения температуры и концентрации, чтобы обеспечить более комплексные и многопараметрические измерения потока. Например, объединение PIV с термографическими люминофорами или лазерно-индуцированной флуоресценцией позволяет одновременно измерять поля скорости и температуры или концентрации, предоставляя ценные данные для изучения теплопередачи , смешивания и химических реакций в потоках жидкости.
Историческое развитие PIV было обусловлено потребностью в точных и неинтрузивных измерениях потока в различных областях науки и техники. Ранние годы PIV были отмечены разработкой базовых методов PIV, таких как двухрамный PIV, и применением PIV в фундаментальных исследованиях динамики жидкости, в первую очередь в академических условиях. По мере того, как PIV набирал популярность, исследователи начали использовать его в более практических приложениях, таких как аэродинамика, горение и океанография.
Поскольку PIV продолжает развиваться и развиваться, ожидается, что он найдет дальнейшее применение в широком спектре областей, от фундаментальных исследований в области динамики жидкости до практических приложений в инженерии, науках об окружающей среде и медицине. Продолжающееся развитие методов PIV, включая достижения в области лазеров, камер, алгоритмов анализа изображений и интеграции с другими методами измерения, еще больше повысит его возможности и расширит его применение.
В аэродинамике метод PIV используется для изучения обтекания крыльев самолетов, лопастей ротора и других аэродинамических поверхностей, что позволяет получить представление о поведении потока и аэродинамических характеристиках этих систем.
По мере того, как PIV набирал популярность, он нашел применение в широком спектре областей за пределами аэродинамики, включая горение, океанографию, биожидкости и микромасштабные потоки. В исследованиях горения PIV использовался для изучения деталей процессов горения, таких как распространение пламени, воспламенение и динамика распыления топлива, что давало ценную информацию о сложных взаимодействиях между топливом и воздухом в системах сгорания. В океанографии PIV использовался для изучения движения водных течений, волн и турбулентности, что помогало в понимании закономерностей циркуляции океана и прибрежной эрозии. В исследованиях биожидкостей PIV применялся для изучения кровотока в артериях и венах, дыхательного потока и движения ресничек и жгутиков у микроорганизмов, что давало важную информацию для понимания физиологических процессов и механизмов заболеваний.
PIV также использовался в новых и развивающихся областях, таких как микромасштабные и наномасштабные потоки, гранулярные потоки и многофазные потоки . Micro-PIV и nano-PIV использовались для изучения потоков в микроканалах , нанопорах и биологических системах в микромасштабе и наномасштабе, обеспечивая понимание уникального поведения жидкостей в этих масштабах длины. PIV применялся для изучения движения частиц в гранулярных потоках, таких как лавины и оползни, и для исследования многофазных потоков, таких как пузырьковые потоки и потоки нефть-вода, которые важны в экологических и промышленных процессах. В микромасштабных потоках обычные методы измерений сложно применять из-за малых масштабов длины. Micro-PIV использовался для изучения потоков в микрофлюидных устройствах, таких как системы «лаборатория на чипе» , и для исследования таких явлений, как образование капель, смешивание и движение клеток, с применением в доставке лекарств , биомедицинской диагностике и микромасштабной инженерии.
PIV также нашел применение в передовых производственных процессах, таких как аддитивное производство, где понимание и оптимизация поведения потока жидкости имеют решающее значение для получения высококачественных и высокоточных продуктов. PIV использовался для изучения динамики потока газов, жидкостей и порошков в процессах аддитивного производства, предоставляя информацию о параметрах процесса, которые влияют на качество и свойства производимых продуктов.
PIV также использовался в науке об окружающей среде для изучения рассеивания загрязняющих веществ в воздухе и воде, переноса осадков в реках и прибрежных зонах, а также поведения загрязняющих веществ в природных и инженерных системах. В энергетических исследованиях PIV использовался для изучения поведения потока в ветровых турбинах , гидроэлектростанциях и процессов сгорания в двигателях и турбинах, помогая в разработке более эффективных и экологически чистых энергетических систем.
Затравочные частицы являются неотъемлемо важным компонентом системы PIV. В зависимости от исследуемой жидкости частицы должны быть способны достаточно хорошо соответствовать свойствам жидкости. В противном случае они не будут достаточно удовлетворительно следовать потоку, чтобы анализ PIV считался точным. Идеальные частицы будут иметь ту же плотность, что и используемая система жидкости, и будут сферическими (эти частицы называются микросферами ) . Хотя фактический выбор частиц зависит от природы жидкости, обычно для макроисследований PIV это стеклянные шарики, полистирол , полиэтилен , алюминиевые хлопья или капли масла (если исследуемая жидкость представляет собой газ ). Показатель преломления для затравочных частиц должен отличаться от показателя преломления жидкости, которую они засевают, так что лазерный луч, падающий на поток жидкости, будет отражаться от частиц и рассеиваться в направлении камеры.
Частицы обычно имеют диаметр порядка 10–100 микрометров. Что касается размера, частицы должны быть достаточно малыми, чтобы время реакции частиц на движение жидкости было достаточно коротким, чтобы точно следовать потоку, но достаточно большими, чтобы рассеивать значительное количество падающего лазерного света. Для некоторых экспериментов, связанных с горением, размер затравочных частиц может быть меньше, порядка 1 микрометра, чтобы избежать эффекта гашения, который инертные частицы могут оказывать на пламя. Из-за малого размера частиц движение частиц определяется сопротивлением Стокса и эффектами оседания или подъема. В модели, где частицы моделируются как сферические ( микросферы ) при очень низком числе Рейнольдса , способность частиц следовать потоку жидкости обратно пропорциональна разнице в плотности между частицами и жидкостью, а также обратно пропорциональна квадрату их диаметра. Рассеянный свет от частиц доминирует за счет рассеяния Ми и поэтому также пропорционален квадрату диаметра частиц. Таким образом, размер частиц должен быть сбалансирован, чтобы рассеивать достаточно света для точной визуализации всех частиц в плоскости лазерного ножа, но достаточно мал, чтобы точно следовать потоку.
Механизм засева также должен быть спроектирован таким образом, чтобы засевать поток в достаточной степени, не нарушая его чрезмерно.
Для выполнения анализа PIV на потоке требуются две экспозиции лазерного света на камеру из потока. Первоначально, из-за неспособности камер захватывать несколько кадров на высокой скорости, обе экспозиции захватывались на одном кадре, и этот один кадр использовался для определения потока. Для этого анализа использовался процесс, называемый автокорреляцией . Однако в результате автокорреляции направление потока становится неясным, поскольку неясно, какие пятна частиц относятся к первому импульсу, а какие — ко второму. С тех пор были разработаны более быстрые цифровые камеры, использующие чипы CCD или CMOS, которые могут захватывать два кадра на высокой скорости с разницей между кадрами в несколько сотен нс. Это позволило изолировать каждую экспозицию на своем собственном кадре для более точного анализа кросс-корреляции . Ограничением типичных камер является то, что эта высокая скорость ограничена парой снимков. Это связано с тем, что каждая пара снимков должна быть передана на компьютер, прежде чем можно будет сделать еще одну пару снимков. Типичные камеры могут делать только пару снимков на гораздо более низкой скорости. Доступны высокоскоростные ПЗС- или КМОП-камеры, но они гораздо дороже.
Для макро PIV-установок лазеры являются преобладающими из-за их способности производить мощные световые лучи с короткой длительностью импульса. Это обеспечивает короткое время экспозиции для каждого кадра. Nd:YAG-лазеры , обычно используемые в PIV-установках, излучают в основном на длине волны 1064 нм и ее гармониках (532, 266 и т. д.). В целях безопасности излучение лазера обычно фильтруется полосовым фильтром для изоляции гармоник 532 нм (это зеленый свет, единственная гармоника, которую можно увидеть невооруженным глазом). Для направления лазерного света на экспериментальную установку можно использовать оптоволоконный кабель или жидкий световод.
Оптика состоит из комбинации сферической линзы и цилиндрической линзы . Цилиндрическая линза расширяет лазер в плоскость, в то время как сферическая линза сжимает плоскость в тонкий лист. Это критично, поскольку метод PIV обычно не может измерять движение, нормальное к лазерному листу, и поэтому в идеале это устраняется путем поддержания полностью двухмерного лазерного листа. Сферическая линза не может сжать лазерный лист в фактическую двухмерную плоскость. Минимальная толщина составляет порядка длины волны лазерного света и находится на конечном расстоянии от оптической установки (фокальной точки сферической линзы). Это идеальное место для размещения области анализа эксперимента.
Также следует выбрать правильный объектив для камеры, чтобы правильно сфокусироваться и визуализировать частицы в зоне исследования.
Синхронизатор действует как внешний триггер как для камеры(камер), так и для лазера. В то время как аналоговые системы в виде фотодатчика , вращающейся апертуры и источника света использовались в прошлом, большинство систем, используемых сегодня, являются цифровыми. Управляемый компьютером, синхронизатор может диктовать синхронизацию каждого кадра последовательности ПЗС-камеры в сочетании с запуском лазера с точностью до 1 нс. Таким образом, время между каждым импульсом лазера и размещением лазерного выстрела относительно синхронизации камеры можно точно контролировать. Знание этой синхронизации имеет решающее значение, поскольку оно необходимо для определения скорости жидкости в анализе PIV. Автономные электронные синхронизаторы, называемые цифровыми генераторами задержки , предлагают переменное разрешение синхронизации от 250 пс до нескольких мс. Имея до восьми каналов синхронизированной синхронизации, они предлагают средства для управления несколькими вспышками и Q-переключателями, а также обеспечивают несколько экспозиций камеры.
Кадры разбиваются на большое количество областей опроса, или окон. Затем можно рассчитать вектор смещения для каждого окна с помощью обработки сигнала и методов автокорреляции или кросс-корреляции . Он преобразуется в скорость с использованием времени между выстрелами лазера и физического размера каждого пикселя на камере. Размер окна опроса должен быть выбран таким образом, чтобы в среднем на окно приходилось не менее 6 частиц. Наглядный пример анализа PIV можно увидеть здесь.
Синхронизатор управляет синхронизацией между экспозициями изображений, а также позволяет получать пары изображений в разное время вдоль потока. Для точного анализа PIV идеально, чтобы интересующая область потока отображала среднее смещение частиц около 8 пикселей. Это компромисс между более длительным временным интервалом, который позволит частицам перемещаться дальше между кадрами, что затрудняет определение того, какое окно опроса переместилось в какую точку, и более коротким временным интервалом, что может значительно затруднить определение любого смещения внутри потока.
Рассеянный свет от каждой частицы должен находиться в области от 2 до 4 пикселей по горизонтали на изображении. Если записывается слишком большая область, размер изображения частицы уменьшается, и может произойти блокировка пика с потерей точности субпикселя. Существуют методы преодоления эффекта блокировки пика, но они требуют некоторой дополнительной работы.
Если есть внутренние экспертные знания в области PIV и время на разработку системы, даже если это не тривиально, можно создать индивидуальную систему PIV. Однако исследовательские системы PIV имеют мощные лазеры и высококлассные характеристики камеры для возможности проводить измерения с самым широким спектром экспериментов, необходимых в исследовании.
Пример анализа PIV без установки: [1]
PIV тесно связана с цифровой корреляцией изображений — методом оптического измерения смещения, который использует методы корреляции для изучения деформации твердых материалов.
Метод в значительной степени неинтрузивный. Добавленные трассеры (если они правильно подобраны) обычно вызывают незначительное искажение потока жидкости. [9]
Оптическое измерение исключает необходимость использования трубок Пито , анемометров с горячей проволокой или других интрузивных зондов измерения потока . Метод позволяет одновременно измерять все двумерное поперечное сечение (геометрию) поля потока.
Высокоскоростная обработка данных позволяет генерировать большое количество пар изображений, которые можно анализировать на персональном компьютере в режиме реального времени или позднее, что позволяет получать большой объем практически непрерывной информации.
Значения смещения субпикселя обеспечивают высокую степень точности, поскольку каждый вектор является статистическим средним для многих частиц в пределах определенной плитки. Смещение обычно может быть точным до 10% одного пикселя на плоскости изображения.
В некоторых случаях частицы из-за своей более высокой плотности не будут идеально следовать движению жидкости ( газа / жидкости ). Если эксперименты проводятся, например, в воде, то легко можно найти очень дешевые частицы (например, пластиковый порошок диаметром ~60 мкм) с той же плотностью, что и вода. Если плотность все еще не подходит, плотность жидкости можно настроить, увеличив/уменьшив ее температуру. Это приводит к небольшим изменениям числа Рейнольдса, поэтому скорость жидкости или размер экспериментального объекта должны быть изменены, чтобы учесть это.
Методы измерения скорости изображения частиц в общем случае не смогут измерить компоненты вдоль оси z (по направлению к камере/от камеры). Эти компоненты могут не только быть пропущены, но и могут внести помехи в данные для x/y-компонентов, вызванные параллаксом. Эти проблемы отсутствуют в стереоскопическом PIV, который использует две камеры для измерения всех трех компонентов скорости.
Поскольку результирующие векторы скорости основаны на кросс-корреляции распределений интенсивности по небольшим областям потока, результирующее поле скорости является пространственно усредненным представлением фактического поля скорости. Это, очевидно, имеет последствия для точности пространственных производных поля скорости, завихренности и пространственных корреляционных функций , которые часто выводятся из полей скорости PIV.
Системы PIV, используемые в исследованиях, часто используют лазеры класса IV и высокоскоростные камеры высокого разрешения, что влечет за собой ограничения по стоимости и безопасности.
Стереоскопическая PIV использует две камеры с отдельными углами обзора для извлечения смещения по оси Z. Обе камеры должны быть сфокусированы на одной и той же точке потока и должны быть правильно откалиброваны, чтобы иметь одну и ту же точку в фокусе.
В фундаментальной механике жидкости смещение в течение единицы времени в направлениях X, Y и Z обычно определяется переменными U, V и W. Как было описано ранее, базовый PIV извлекает смещения U и V как функции направлений X и Y в плоскости. Это позволяет вычислять градиенты скорости , , и . Однако другие 5 членов тензора градиента скорости не могут быть найдены из этой информации. Стереоскопический анализ PIV также предоставляет компонент смещения по оси Z, W, в этой плоскости. Это не только предоставляет скорость жидкости по оси Z в интересующей плоскости, но и позволяет определить еще два члена градиента скорости: и . Компоненты градиента скорости , , и не могут быть определены. Компоненты градиента скорости образуют тензор:
Это расширение стереоскопического PIV путем добавления второй плоскости исследования, непосредственно смещенной относительно первой. Для этого анализа требуются четыре камеры. Две плоскости лазерного света создаются путем разделения лазерного излучения с помощью светоделителя на два луча. Затем каждый луч поляризуется ортогонально по отношению друг к другу. Затем они передаются через набор оптики и используются для одновременного освещения одной из двух плоскостей.
Четыре камеры объединены в группы по две. Каждая пара фокусируется на одном из лазерных листов таким же образом, как одноплоскостной стереоскопический PIV. Каждая из четырех камер имеет поляризационный фильтр, предназначенный для пропускания только поляризованного рассеянного света из соответствующих плоскостей интереса. По сути, это создает систему, с помощью которой две отдельные стереоскопические настройки анализа PIV запускаются одновременно с минимальным расстоянием между плоскостями интереса.
Этот метод позволяет определить три компонента градиента скорости, которые одноплоскостной стереоскопический PIV не может вычислить: , , и . С помощью этого метода можно количественно определить весь тензор градиента скорости жидкости в интересующей двумерной плоскости. Трудность возникает в том, что лазерные листы должны поддерживаться достаточно близко друг к другу, чтобы аппроксимировать двумерную плоскость, но при этом достаточно смещенными, чтобы можно было найти значимые градиенты скорости в направлении z.
Существует несколько расширений идеи двухплоскостного стереоскопического PIV. Существует возможность создания нескольких параллельных лазерных листов с использованием набора светоделителей и четвертьволновых пластин, обеспечивающих три или более плоскостей, используя один лазерный блок и стереоскопическую установку PIV, называемую XPIV. [10]
С использованием эпифлуоресцентного микроскопа можно анализировать микроскопические потоки. MicroPIV использует флуоресцентные частицы, которые возбуждаются на определенной длине волны и излучают на другой длине волны. Лазерный свет отражается через дихроичное зеркало, проходит через объектив, который фокусируется на интересующей точке, и освещает региональный объем. Излучение от частиц вместе с отраженным лазерным светом проходит обратно через объектив, дихроичное зеркало и через эмиссионный фильтр, который блокирует лазерный свет. В то время как PIV черпает свои свойства двумерного анализа из плоской природы лазерного листа, microPIV использует способность объектива фокусироваться только на одной плоскости за раз, таким образом создавая двумерную плоскость видимых частиц. [11] [12]
Частицы MicroPIV имеют размер порядка нескольких сотен нм в диаметре, что означает, что они чрезвычайно восприимчивы к броуновскому движению. Таким образом, для этой техники необходимо использовать специальную технику анализа усреднения ансамбля. Кросс-корреляция серии базовых анализов PIV усредняется вместе для определения фактического поля скорости. Таким образом, можно исследовать только стационарные потоки. Также необходимо использовать специальные методы предварительной обработки, поскольку изображения, как правило, имеют нулевое смещение смещения из-за фонового шума и низкого отношения сигнал-шум. Обычно также используются объективы с высокой числовой апертурой для захвата максимально возможного испускаемого света. Оптический выбор также имеет решающее значение по тем же причинам.
Голографический PIV (HPIV) охватывает множество экспериментальных методов, которые используют интерференцию когерентного света, рассеянного частицей, и опорного луча для кодирования информации об амплитуде и фазе рассеянного света, падающего на плоскость датчика. Эта закодированная информация, известная как голограмма , затем может быть использована для реконструкции исходного поля интенсивности путем освещения голограммы исходным опорным лучом с помощью оптических методов или цифровых приближений. Поле интенсивности исследуется с использованием методов трехмерной кросс-корреляции для получения поля скорости.
Внеосевой HPIV использует отдельные лучи для обеспечения объектной и опорной волн. Эта установка используется для того, чтобы избежать спекл-шума, генерируемого из-за интерференции двух волн в рассеивающей среде, что произошло бы, если бы они обе распространялись через среду. Внеосевой эксперимент представляет собой очень сложную оптическую систему, состоящую из множества оптических элементов, и читатель может обратиться к примеру схемы в Шэн и др. [13] для более полного представления.
Линейная голография — это еще один подход, который обеспечивает некоторые уникальные преимущества для визуализации частиц. Возможно, самым большим из них является использование прямого рассеянного света, который на порядки ярче, чем рассеянный, ориентированный перпендикулярно направлению луча. Кроме того, оптическая установка таких систем намного проще, поскольку остаточный свет не нужно разделять и рекомбинировать в другом месте. Линейная конфигурация также обеспечивает относительно простое расширение для применения ПЗС-датчиков, создавая отдельный класс экспериментов, известных как цифровая линейная голография. Сложность таких установок смещается от оптической установки к постобработке изображения, которая включает использование моделированных опорных пучков. Дальнейшее обсуждение этих тем выходит за рамки этой статьи и рассматривается в работе Арройо и Хинша [14].
Различные проблемы ухудшают качество результатов HPIV. Первый класс проблем касается самой реконструкции. В голографии объектная волна частицы обычно предполагается сферической; однако из-за теории рассеяния Ми эта волна имеет сложную форму, которая может искажать реконструированную частицу. Другая проблема — наличие существенного спекл-шума, который снижает общее отношение сигнал/шум изображений частиц. Этот эффект вызывает большую озабоченность для линейных голографических систем, поскольку опорный луч распространяется через объем вместе с рассеянным объектным лучом. Шум также может быть внесен через примеси в рассеивающей среде, такие как температурные колебания и дефекты окна. Поскольку голография требует когерентного изображения, эти эффекты намного более серьезны, чем традиционные условия получения изображения. Сочетание этих факторов увеличивает сложность процесса корреляции. В частности, спекл-шум в записи HPIV часто не позволяет использовать традиционные методы корреляции на основе изображения. Вместо этого реализуются идентификация и корреляция отдельных частиц, которые устанавливают ограничения на плотность числа частиц. Более полное описание этих источников ошибок дано в работе Менга и др. [15].
В свете этих проблем может показаться, что HPIV слишком сложен и подвержен ошибкам, чтобы его можно было использовать для измерения расхода. Однако многие впечатляющие результаты были получены со всеми голографическими подходами. Свижер и Коэн [16] использовали гибридную систему HPIV для изучения физики шпилечных вихрей. Тао и др. [17] исследовали выравнивание тензоров завихренности и скорости деформации в турбулентности с высоким числом Рейнольдса. В качестве последнего примера Шэн и др. [13] использовали голографическую микроскопию для выполнения пристеночных измерений турбулентного напряжения сдвига и скорости в турбулентных пограничных слоях.
Используя вращающееся зеркало, высокоскоростную камеру и корректируя геометрические изменения, PIV можно выполнить практически мгновенно на наборе плоскостей по всему полю потока. Свойства жидкости между плоскостями затем можно интерполировать. Таким образом, можно выполнить квазиобъемный анализ на целевом объеме. Сканирующий PIV можно выполнить в сочетании с другими двумерными методами PIV, описанными для аппроксимации трехмерного объемного анализа.
Томографический PIV основан на освещении, регистрации и реконструкции частиц-трассеров в пределах трехмерного объема измерений. Метод использует несколько камер для записи одновременных видов освещенного объема, которые затем реконструируются для получения дискретизированного трехмерного поля интенсивности. Пара полей интенсивности анализируется с использованием трехмерных алгоритмов кросс-корреляции для расчета трехмерного, трехмерного поля скорости в пределах объема. Метод был первоначально разработан [18] Элсингой и др. [19] в 2006 году.
Процедура реконструкции представляет собой сложную недоопределенную обратную задачу. [ необходима цитата ] Основная сложность заключается в том, что один набор видов может быть результатом большого количества 3-D объемов. Процедуры для правильного определения уникального объема из набора видов являются основой для области томографии. В большинстве экспериментов Tomo-PIV используется метод мультипликативной алгебраической реконструкции (MART). Преимущество этого метода попиксельной реконструкции заключается в том, что он позволяет избежать необходимости идентифицировать отдельные частицы. [ необходима цитата ] Реконструкция дискретизированного 3-D поля интенсивности требует больших вычислительных затрат, и, помимо MART, несколько разработок пытались значительно сократить эти вычислительные затраты, например, метод одновременной мультипликативной алгебраической реконструкции с несколькими линиями прямой видимости (MLOS-SMART) [20] , который использует разреженность 3-D поля интенсивности для снижения требований к хранению и вычислениям.
Как правило, для приемлемой точности реконструкции требуется не менее четырех камер, а наилучшие результаты достигаются, когда камеры располагаются примерно под углом 30 градусов к измерительному объему. [19] Для успешного эксперимента необходимо учитывать множество дополнительных факторов. [ необходима цитата ]
Tomo-PIV применялся к широкому спектру потоков. Примерами служат структура взаимодействия турбулентного пограничного слоя/ударной волны, [21] вихреобразование цилиндрического следа [22] или наклонный аэродинамический профиль, [23] аэроакустические эксперименты со стержнем и аэродинамическим профилем, [24] а также для измерения микропотоков малого масштаба. [25] Совсем недавно Tomo-PIV использовался вместе с трехмерной велосиметрией отслеживания частиц для понимания взаимодействий хищник-жертва, [26] [27] а портативная версия Tomo-PIV использовалась для изучения уникальных плавающих организмов в Антарктиде. [28]
Термографический PIV основан на использовании термографических люминофоров в качестве затравочных частиц. Использование этих термографических люминофоров позволяет одновременно измерять скорость и температуру в потоке.
Термографические люминофоры состоят из керамических материалов-хозяев, легированных ионами редкоземельных или переходных металлов, которые проявляют фосфоресценцию при освещении их УФ-светом. Время затухания и спектры этой фосфоресценции чувствительны к температуре и предлагают два различных метода измерения температуры. Метод времени затухания заключается в подгонке затухания фосфоресценции к экспоненциальной функции и обычно используется в точечных измерениях, хотя он был продемонстрирован и в поверхностных измерениях. Соотношение интенсивности между двумя различными спектральными линиями фосфоресценции, отслеживаемое с помощью спектральных фильтров, также зависит от температуры и может использоваться для поверхностных измерений.
Микрометровые частицы фосфора, используемые в термографическом PIV, засеваются в поток в качестве трассера, и после освещения тонким лазерным световым листом температура частиц может быть измерена по фосфоресценции, обычно с использованием метода отношения интенсивности. Важно, чтобы частицы были небольшого размера, чтобы они не только удовлетворительно следовали за потоком, но и быстро принимали его температуру. Для диаметра 2 мкм тепловое скольжение между частицей и газом так же мало, как и скольжение скорости.
Освещение люминофора достигается с помощью УФ-излучения. Большинство термографических люминофоров поглощают свет в широкой полосе УФ-излучения и поэтому могут возбуждаться с помощью YAG:Nd-лазера. Теоретически один и тот же свет может использоваться как для PIV-измерений, так и для измерений температуры, но это означало бы, что необходимы УФ-чувствительные камеры. На практике два разных луча, созданных в отдельных лазерах, перекрываются. В то время как один из лучей используется для измерения скорости, другой используется для измерения температуры.
Использование термографических люминофоров предлагает некоторые выгодные особенности, включая способность выживать в реактивных и высокотемпературных средах, химическую стабильность и нечувствительность их фосфоресцентного излучения к давлению и составу газа. Кроме того, термографические люминофоры излучают свет на разных длинах волн, что позволяет проводить спектральную дискриминацию возбуждающего света и фона.
Термографический PIV был продемонстрирован для измерений с усреднением по времени [29] и одиночных измерений [30] . Недавно также были успешно выполнены высокоскоростные (3 кГц) измерения с временным разрешением [31] .
С развитием искусственного интеллекта появились научные публикации и коммерческое программное обеспечение, предлагающее вычисления PIV на основе глубокого обучения и сверточных нейронных сетей. Используемая методология в основном исходит из оптических потоковых нейронных сетей, популярных в машинном зрении. Набор данных, включающий изображения частиц, генерируется для обучения параметров сетей. Результатом является глубокая нейронная сеть для PIV, которая может обеспечить оценку плотного движения, вплоть до максимум одного вектора на один пиксель, если это позволяют записанные изображения. AI PIV обещает плотное поле скорости, не ограниченное размером окна опроса, которое ограничивает традиционный PIV одним вектором на 16 x 16 пикселей. [32]
С развитием цифровых технологий стали возможны обработка в реальном времени и приложения PIV. Например, графические процессоры могут использоваться для существенного ускорения прямых корреляций на основе преобразования Фурье отдельных окон опроса. Аналогично многопроцессорные, параллельные или многопоточные процессы на нескольких ЦП или многоядерных ЦП полезны для распределенной обработки нескольких окон опроса или нескольких изображений. Некоторые приложения используют методы обработки изображений в реальном времени, такие как ПЛИС, основанные на сжатии изображений «на лету» или обработке изображений. Совсем недавно возможности измерения и обработки PIV в реальном времени были реализованы для будущего использования в активном управлении потоком с обратной связью на основе потока. [33]
PIV применялся к широкому спектру проблем потока, от потока над крылом самолета в аэродинамической трубе до образования вихрей в искусственных клапанах сердца. Трехмерные методы были использованы для анализа турбулентного потока и струй.
Элементарные алгоритмы PIV, основанные на кросс-корреляции, могут быть реализованы за несколько часов, в то время как более сложные алгоритмы могут потребовать значительных временных затрат. Доступно несколько реализаций с открытым исходным кодом. Применение PIV в системе образования США было ограничено из-за высокой цены и проблем безопасности промышленных исследовательских систем PIV.
PIV также можно использовать для измерения поля скорости свободной поверхности и базальной границы в гранулированных потоках, таких как потоки в трясущихся контейнерах [34] , барабанах [35] и лавинах. Этот анализ особенно хорошо подходит для непрозрачных сред, таких как песок, гравий, кварц или другие гранулированные материалы, которые распространены в геофизике. Этот подход PIV называется «гранулированным PIV». Установка для гранулированного PIV отличается от обычной установки PIV тем, что оптическая структура поверхности, которая создается путем освещения поверхности гранулированного потока, уже достаточна для обнаружения движения. Это означает, что не нужно добавлять частицы-трассеры в объемный материал.
{{cite web}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )