Name: عالي السرعة الجسيمات Velocimetry صورة قرب السطوح (فيديو) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 59 s
Description: اكتشف كيفية إعداد وتشغيل تجربة سرعة الجسيمات البصرية عالية السرعة لدراسة الجريان العابر بالقرب من الأسطح. تُستخدم هذه التقنية غير التدخلية لتحليل ديناميكيات السوائل بدقة عالية.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

ويستند هذه المواد على العمل بدعم من مؤسسة العلوم الوطنية الأميركية تحت المنحة رقم CBET-1032930 والعمل الذي أنجز في جامعة مختبر التشخيص الليزر الكمي ميشيغان.

<ol><li>Raffel, M. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aRaffel%2C+M+%22Particle+Image+Velocimetry%3A+A+Practical+Guide%22">Particle Image Velocimetry: A Practical Guide</a>. , Springer. Berlin. (2007).</li>
<li>Adrian, R. J., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aAdrian%2C+RJ+%22Particle+image+velocimetry%22">Particle image velocimetry</a>. , Cambridge University Press. New York. (2011).</li>
<li>Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High+speed+imaging+in+fundamental+and+applied+combustion+research%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Combustion+Institute%22%5BJournal%5D)">High speed imaging in fundamental and applied combustion research.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 34 (2), 3509-3530 (2013).</li>
<li>Prasad, A. K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Particle+image+velocimetry%5BTitle%5D)+AND+%22Current+Science+%28Bangalore%29%22%5BJournal%5D)">Particle image velocimetry.</a> Current Science (Bangalore). 79 (1), 51(2000).</li>
<li>Stitou, A., Riethmuller, M. L. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Extension+of+PIV+to+super+resolution+using+PTV%5BTitle%5D)+AND+%22Measurement+Science+%26+Technology%22%5BJournal%5D)">Extension of PIV to super resolution using PTV.</a> Measurement Science & Technology. 12 (9), 1398-1403 (2001).</li>
<li>Alharbi, A. Y., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Investigation+of+boundary+layers+in+internal+combustion+engines+using+a+hybrid+algorithm+of+high+speed+micro-PIV+and+PTV%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Investigation of boundary layers in internal combustion engines using a hybrid algorithm of high speed micro-PIV and PTV.</a> Experiments in Fluids. 49 (4), 949-959 (2010).</li>
<li>Meinhart, C. D., Wereley, S. T., Santiago, J. G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+PIV+Algorithm+for+Estimating+Time-Averaged+Velocity+Fields%5BTitle%5D)+AND+%22Journal+of+Fluids+Engineering%22%5BJournal%5D)">A PIV Algorithm for Estimating Time-Averaged Velocity Fields.</a> Journal of Fluids Engineering. 122 (2), 285(2000).</li>
<li>Jainski, C., Lu, L., Dreizler, A., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-Speed+Micro+Particle+Image+Velocimetry+Studies+of+Boundary-Layer+Flows+in+a+Direct-Injection+Engine%5BTitle%5D)+AND+%22International+Journal+of+Engine+Research%22%5BJournal%5D)">High-Speed Micro Particle Image Velocimetry Studies of Boundary-Layer Flows in a Direct-Injection Engine.</a> International Journal of Engine Research. , (2012).</li>
<li>White, F. M. Fluid mechanics. , McGraw-Hill. New York. 864(2008).</li>
<li>Pope, S. B. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aPope%2C+SB+%22Turbulent+Flows%22">Turbulent Flows</a>. , Cambridge University Press. Cambridge. 771(2000).</li>
<li>Most, D., Leipertz, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+Two-Dimensional+Flow+Velocity+and+Gas+Temperature+Measurements+by+use+of+a+Combined+Particle+Image+Velocimetry+and+Filtered+Rayleigh+Scattering+Technique%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Optics%22%5BJournal%5D)">Simultaneous Two-Dimensional Flow Velocity and Gas Temperature Measurements by use of a Combined Particle Image Velocimetry and Filtered Rayleigh Scattering Technique.</a> Applied Optics. 40 (30), 5379(2001).</li>
<li>Omrane, A., Petersson, P., Aldén, M., Linne, M. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+2D+flow+velocity+and+gas+temperature+measurements+using+thermographic+phosphors%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+B%22%5BJournal%5D)">Simultaneous 2D flow velocity and gas temperature measurements using thermographic phosphors.</a> Applied Physics B. 92 (1), 99-102 (2008).</li>
<li>Someya, S., Li, Y., Ishii, K., Okamoto, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Combined+two-dimensional+velocity+and+temperature+measurements+of+natural+convection+using+a+high-speed+camera+and+temperature-sensitive+particles%5BTitle%5D)+AND+%22Experiments+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">Combined two-dimensional velocity and temperature measurements of natural convection using a high-speed camera and temperature-sensitive particles.</a> Experiments in Fluids. 50 (1), 65-73 (2010).</li>
<li>Peterson, B., Reuss, D. L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((High-speed+imaging+analysis+of+misfires+in+a+spray-guided+direct+injection+engine%5BTitle%5D)+AND+%22Proceedings+of+the+Combustion+Institute%22%5BJournal%5D)">High-speed imaging analysis of misfires in a spray-guided direct injection engine.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33 (2), 3089-3096 (2011).</li>
</ol>

الكتاب ليس لديهم ما يكشف.

كما هو الحال مع أي تقنية قياس التدفق الضوئي، التخطيط لإعداد عالية السرعة الجسيمات velocimetry صورة (التعريف الشخصية) يتطلب تقييم المعوقات وتقييم أفضل حلول وسط للمهمة القياس في متناول اليد. اختيار تكبير الصورة، ومعدل الإطار، وخصائص ورقة ليزر، وخوارزميات التحليل تعتمد على التفاصيل من تدفق قيد الدراسة. إذا لزم الأمر، ويجب إجراء القياسات استكشافية لتحديد إعدادات المعلمة لقياس الدقة العالية. توضح هذه المقالة الإجراءات العامة وبعض النتائج لعينة التعريف الشخصي عالي السرعة لدراسة طبقة الحدود من تدفق على طول لوحة مسطحة. وسجلت سلسلة من 500 صورة في 5 كيلو هرتز. تم استخدام المجهر لمسافات طويلة لتحقيق 2.4 × 1.8 مم 2 حقل من رأي تقع على سطح اللوحة. وقد تحقق إضاءة عالية الجودة من قطرات زيت بذور مع شعاع من نابض الصمام الثنائي ضخ ليزر الحالة الصلبة والتي توسعت في ضوء SHEET باستخدام الخالط شعاع. شعاع الخالط يحتوي على مجموعة عدسة الصغيرة تتكون من عدسات أسطوانية صغيرة وإضافية، تلسكوب متكاملة. مجموعة الصغرى عدسة توسع شعاع دائرية في الاتجاه الرأسي عن طريق تقسيم شعاع الواردة إلى beamlets. ثم التلسكوب التالية تطغى على beamlets لإنشاء ورقة ضوء مع توزيع كثافة الضوء حتى في الطائرة ورقة الضوء الطبيعي إلى انتشار شعاع. تمت معالجة الصور باستخدام خوارزمية التعريف الشخصية عبر الارتباط. وتجدر الإشارة إلى أن شعاع المتجانس هو مفيد، وخاصة عند العمل بالقرب من الأسطح، ولكنها ليست حاسمة لتطبيق الموصوفة هنا. الطريقة المبينة في هذا الإجراء تمكن غير تدخلية ذات الدقة العالية، والتحقيقات عالية السرعة من التدفقات باستخدام خوارزميات ارتباط قوي. المزايا الرئيسية لهذا عالية الدقة، وتقنية قياس السرعة العالية هي ارتفاع القرار المكانية والزمانية والقدرة على تحديد وتتبعتطور الهياكل داخل التدفق. باستخدام هذه التقنيات، 6 الحربي وJainski وآخرون. وقد أثبتت 8 القدرة على تصور وتتبع هياكل دوامة داخل طبقة الحدود من محرك الاحتراق الداخلي. هذه الملامح الرئيسية تمكينها من التحقيق بشأن هيكل وديناميات تدفقات عابرة للغاية. وعلاوة على ذلك، يمكن توسيع نطاق التعريف الشخصية وراء ثنائي الأبعاد والحقول سرعة ثنائي مكون (2D-2C) (كما هو موضح هنا) لحل 3 مكونات (3C) في طائرة (ستيريو التعريف الشخصية) وبحجم (تصوير الشعاعي الطبقي التعريف الشخصية والمسح الضوئي التعريف الشخصية، المجسم التعريف الشخصي). بالإضافة إلى ذلك، قد يتم تنفيذها التعريف الشخصية مع تقنيات أخرى مثل مستو الليزر التي يسببها مضان (PLIF) وتصفيتها نثر رايلي (FRS)، والمواد الفوسفورية الحراري لتحقيق قياسات 2D في وقت واحد من السرعة وسكالارس الأخرى (درجة الحرارة، وتركيز الأنواع، ونسب التكافؤ) 11 -14. هذه الأساليب البصرية، ويعتمد على الليزر يمكن تطبيقها مباشرة على التحقيق الشامل وعمليات تبادل الطاقة في العديد من التطبيقات، مثل قرب الجدار يصب في محرك الاحتراق الداخلي.

قياسات متعددة الأبعاد للسرعات والقدرة على تتبع مجال تدفق في الوقت توفير المعلومات الهامة في العديد من مجالات العلوم، والهندسة، والعلوم الصحية. من بين التقنيات الأكثر استخداما على نطاق واسع لتصوير تدفق الجسيمات صورة velocimetry (التعريف الشخصي). أنشئت في البداية كأسلوب مستو أن لقطات يقاس من اثنين في الطائرة مكونات السرعة، تم وضع المتغيرات التعريف الشخصية لتوفير قدرات قياس ثلاثي مكون والحجمي. تتكون جميع أنظمة التعريف الشخصي من الجسيمات التتبع، واحد أو أكثر من مصادر الضوء، واحد أو أكثر من الكاميرات. وتستخدم جزيئات صلبة أو قطرات باسم الجسيمات التتبع ولكن يمكن أيضا فقاعات الكامنة في تدفق أن تستخدم جزيئات التتبع. الكاميرا (ق) ثم صورة (صور) متناثرة أو ينبعث الضوء من الجزيئات التتبع بعد والمشع من قبل مصدر الضوء (ق). من بين مجموعة واسعة من الاختلافات 1،2 الأكثر شيوعا يلتقط عنصرين السرعة في طائرة في الفئران(ه) من عدد قليل من لقطة في الثانية. وفي الآونة الأخيرة، والأجهزة الجديدة مكنت قياسات معدل الإطار عالية (&gt; 1 كيلو هرتز) التي تتبع تدفق في النطاقات الزمنية المضطربة في نطاق كيلو هرتز. التعريف الشخصية يحدد حقل سرعة عن طريق تتبع متوسط ​​حركة الجسيمات مجموعات من زوج من الصور التي تكون مفصولة فترة زمنية معروفة. وينقسم كل صورة إلى الشبكة من نظام التشغيل Windows الاستجواب متباعدة بصورة منتظمة. الأكثر شيوعا الاستجواب حجم الإطار هو 32 × 32 بكسل. خوارزمية يحسب وظيفة عبر الارتباط لكافة إطارات الاستجواب، مما أدى إلى تشريد ناقلات واحد لكل إطار الاستجواب وبالتالي تنتج الشبكة العادية للناقلات. تقسيم حقل متجه الإزاحة التي كتبها تأخير الوقت ثم يحدد مجال ناقل السرعة. عند التخطيط القياسات التعريف الشخصي من المهم أن ندرك أن عادة اختيار إعدادات التجريبية تمثل حلا وسطا بين المتطلبات المتعارضة. وبعبارة أخرى، فإن التجربةتحتاج الظروف النفسية إلى أن يخطط لها بعناية لالتقاط جوانب تدفق التي هي ذات أهمية للدراسة في متناول اليد. الكتب المطبوعة من قبل Raffel وآخرون. 1 وأدريان وWesterweel 2 توفير ممتازة مناقشات متعمقة من هذه القيود. هنا نسلط الضوء على عدة التي هي الأكثر أهمية في السياق الحالي. وسيكون اختيار مجال للرؤية (FOV) تعيين نقطة الانطلاق لاختيار المعلمة هنا. عدد وحدات البكسل على رقاقة الكاميرا ثم يحدد القرار المكانية وعدد من ناقلات التي يتم الحصول عليها، على افتراض أن واحد يختار لاستخدام الاستجواب نافذة الأحجام من 32 × 32 بكسل، وغالبا مع التداخل 50٪ خلال الإجراء عبر الارتباط. هو المطلوب كثافة البذر من 8-10 الجسيمات في إطار الاستجواب عموما للمساعدة في وظيفة عبر الارتباط. ومع ذلك، هناك خوارزميات خاصة، مثل الجسيمات velocimetry تتبع (PTV) ونهج الترابط على متوسط ​​الوقت، على أنه يجوزيمكن استخدامها لمعالجة الحالات مع كثافة البذر منخفضة (1-3 جسيمات / نافذة الاستجواب) كما هو الحال مع التصوير قرب السطوح. لاحظ أن تدرجات السرعة داخل كل إطار التحقيق ينبغي أن تكون صغيرة لتجنب التحيز في ناقلات ممثل الناتجة عن تلك النافذة. وأنشئت سيادة الإبهام هو أن الجسيمات التشريد بين الإطار الأول والثاني يجب أن لا يتجاوز 8 بكسل (¼ من الاستجواب حجم الإطار) للحد من عدد من الخسائر الاقتران (فقدان الجسيمات الصور ضمن إطار الاستجواب من أول الإطار إلى الإطار الثاني) للارتباط. ونتيجة لذلك، فإن الوقت بين اثنين من نبضات الليزر على التوالي (DT) لابد من تعديلها وفقا لذلك. ومع ذلك، فإن تقليص DT أدناه ما يعادل تشريد 8 بكسل تقليل النطاق الديناميكي سرعة لأن الحد الأدنى القرار النهائي هو بناء على أمر من 0.1 بكسل النزوح. مماثلة إلى 8 بكسل النزوح ثithin الطائرة والتصوير، وأعلى سرعة الجسيمات لا ينبغي أن تجتاز أكثر من ¼ من سمك ورقة الضوء، مرة أخرى لتقليل عدد الخسائر الاقتران. منذ يستخدم التأخير الزمني بين اثنين من نبضات الليزر لضمان أفضل العلاقات المتبادلة داخل الطائرة ورقة ضوء، وسمك الورقة هو متغير في هذا السياق. في حين أن التوحيد من شدة الضوء ليست حرجة كما هو الحال بالنسبة لقياسات القائمة على كثافة مثل مستو الليزر التي يسببها مضان التصوير 3، وهو أعلى قبعة ملف شعاع بالقرب يساعد التعريف الشخصية الجودة، وخاصة بالنسبة للأعلى التصوير القرار. بشكل عام، بعض الافتراضات حول طبيعة تدفق قيد الدراسة يمكن أن تستخدم كنقطة انطلاق في اختيار المعلمات التجريبية. ثم، قد تكون هناك حاجة استكشافية التجارب لصقل الإعدادات. هنا نحن تصف كيفية إعداد التجربة التعريف الشخصي الذي يسمح الإطار قياسات التصوير ارتفاع معدل اثنين compone سرعةاليلة مع القرار المكانية التي هي كافية لحل هياكل طبقة الحدود. ويتم إنجاز هذا مع استخدام معدل التكرار عالية TEM 00 الصمام الثنائي ضخ ليزر الحالة الصلبة، المجهر لمسافات طويلة، وارتفاع معدل الإطار كاميرا CMOS. وقد تضمنت أيضا بعض التفاصيل عن التصوير قرب السطوح.

<table><tbody><tr><td>ليزر Quantronix عالي السرعة 532 نانومتر Nd: YAG </td><td>Quantronix</td><td>الموديل: Hawk I</td><td></td></tr><tr><td>مجهر لمسافات طويلة (QM-100)</td><td>نموذج Questar</td>: كاميرا CMOS عالية <td>السرعة QM-100</td><td></td></tr><tr><td>(Phantom v7.3)</td> نموذج <td>أبحاث الرؤية</td><td>: Phantom v7.3</td><td></td></tr><tr><td>Rifleizer (TSI 9306)</td> <td>نموذج TSI</td><td>: 9306</td><td></td></tr><tr><td>زيت السيليكون </td><td>Dow Corning CST 510</td><td>CST 510 Fluid</td><td></td></tr> شعاع <tr><td>الخالط </td><td>Fraunhofer</td><td></td><td>مخصص جزء</td></tr><tr><td>45 درجة عالية الانعكاسية (HR) 532 نانومتر مرآة تحول </td><td>ليزر Optik</td><td></td><td>موردين متعددين</td></tr><tr><td></td><td></td><td></td> فتحة <td>متعددة الموردين</td></tr><tr><td>هدف المعايرة</td><td></td><td></td> جزء <td>مخصص</td></tr><tr><td>PIV تسجيل ومعالجة البرمجيات </td><td>LaVision</td><td>البرمجيات: دا Vis</td><td></td></tr><tr><td>وحدة تحكم عالية السرعة (HSC)</td><td>LaVision</td><td></td><td></td></tr><tr><td>سكة حديد بصرية وناقلات </td><td></td><td></td><td>موردين متعددين</td></tr><tr><td>كتل ومصائد </td><td></td><td></td> شعاع الليزر <td>موردين متعددين</td></tr><tr><td>يتصاعد للعناصر </td><td></td><td></td> البصرية <td>موردين متعددين</td></tr><tr><td>مرحلة الترجمة </td><td>أنابيب معدنية نيوبورت</td><td></td><td></td></tr><tr><td>لإنشاء التدفق النفاث</td><td>ماكماستر كار</td><td></td><td>العديد من الموردين</td></tr><tr><td>الجمع بين مربع ومربع</td><td></td><td></td> التوسيط <td>متعدد الموردين</td></tr></tbody></table>

عالي السرعة الجسيمات velocimetry صورة قرب السطوح

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

تدفقات متعددة الأبعاد وعابرة تلعب دورا رئيسيا في العديد من مجالات العلوم، والهندسة، والعلوم الصحية، ولكن غالبا ما تكون غير مفهومة جيدا. يمكن دراسة الطبيعة المعقدة لهذه التدفقات باستخدام الجسيمات الصور velocimetry (التعريف الشخصية)، وهي تقنية التصوير القائم على الليزر لتدفقات الوصول بصريا. على الرغم من العديد من أشكال التعريف الشخصية موجودة بأن يمدد تقنية ما وراء مستو الأصلي ثنائي مكون قدرات قياس السرعة، ويتكون نظام التعريف الشخصية الأساسية لمصدر الضوء (الليزر)، وكاميرا، والجسيمات التتبع، وخوارزميات التحليل. تم تعديل المعلمات التصوير والتسجيل، ومصدر للضوء، وخوارزميات لتحسين تسجيل لتدفق الفائدة وسرعة الحصول على بيانات صحيحة. مشترك التحقيقات التدبير التعريف الشخصية سرعات ثنائي مكون في طائرة في بضعة إطارات في الثانية الواحدة. قياسات معدل الإطار عالية (&gt; 1 كيلو هرتز) ومع ذلك، فقد سهلت التطورات الأخيرة في الأجهزة قادرة على حل انتقاليةتدفقات الأنف والحنجرة مع القرار الزماني عالية. ولذلك، وقياسات معدل الإطار عالية لديها تحقيقات تمكين على تطور هيكل وديناميات تدفقات عابرة للغاية. هذه التحقيقات تلعب دورا حاسما في فهم الفيزياء الأساسية للتدفقات معقدة. وتقدم وصفا مفصلا لأداء عالية الدقة وسرعة عالية في مستو التعريف الشخصي لدراسة تدفق عابرة بالقرب من سطح لوحة مسطحة هنا. وترد تفاصيل لتعديل القيود المعلمة مثل الصورة وخصائص التسجيل، وخصائص ورقة ليزر، وتجهيز الخوارزميات على التكيف التعريف الشخصي لأي تدفق من الفائدة.

يتم عرض صورة لمجموعة المتابعة في الشكل 1. وتظهر الصور الجسيمات الأولية ل× 32 بكسل نافذة الاستجواب 32 بالقرب من الجدار من اثنين من الصور التي تم التقاطها على التوالي في الشكل 2. مشردون الجزيئات في 2A ​​الشكل 2-3 بكسل إلى اليمين في الشكل 2B وتلبية &quot;القاعدة ربع&quot;، والتي تنص على أن النزوح الجسيمات في الطائرة وخارج الطائرة يجب ألا يتجاوز ¼ من الاستجواب حجم النافذة . بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن كثافة الجسيمات في إطار الاستجواب يكون تقريبا 8-10 جزيئات منذ خوارزميات ارتباط التعريف الشخصي تتبع مجموعات من الجزيئات. ومع ذلك، فإن كثافة البذر في شبه جدار التعريف الشخصية التحقيقات في كثير من الأحيان بناء على أمر من 1-3 الجزيئات. وبالتالي، ينبغي أن تستخدم خوارزميات خاصة لمعالجة دراسات مع انخفاض كثافة البذر، مثل الجسيمات تتبع velocimetry (PTV) الخوارزميات التي تتبع الجزيئات الفردية 1،2،4-6. نهج الترابط على متوسط ​​الوقتويمكن أيضا أن تستخدم 7،8 لمعالجة القضايا كثافة البذر منخفض، ولكن هذا يؤدي عادة إلى فقدان القرار الزماني. بالإضافة إلى ذلك، يتأثر التصوير بالقرب من الجدران عن انعكاسات الليزر مشرق التي قد تؤثر سلبا على العلاقات المتبادلة التعريف الشخصية وإنتاج ناقلات كاذبة. الحد من هذه الانعكاسات مشرق أيضا منصب أول ناقل السرعة صالحة في الاتجاه الطبيعي الجدار. قبل معالجة الصور الجسيمات الأولية هو ضروري للحد من تأثير الضوضاء في الخلفية من مصادر مثل انعكاسات الليزر. في هذه المظاهرة كانت تقع أول ناقل صالح 23 ميكرون من الجدار. بعد تتم معالجة الصور الخام الجسيمات باستخدام خوارزميات ارتباط التعريف الشخصي، ينبغي تقييم جودة وصلاحية الناتج الحقول ناقل السرعة. ناقلات زائفة لا يمكن تجنبها في مجالات ناقلات الخام ولكن هناك عدد قليل من الخصائص المميزة. ناقلات غير صحيحة شائعة قرب السطوح، عند حواف الورقة الضوء، وعلى حواف ستدفق كرة القدم. وبالإضافة إلى ذلك، فإن حجم واتجاه المتجهات غير صالحة تختلف اختلافا كبيرا من ناقلات المجاورة ولن يجعل بالمعنى المادي. في حالة هذه الحدود طبقة تدفق سبيل المثال، يجب على ناقلات سرعة صالحة نقطة واحدة من اليسار إلى اليمين كما تشرد الجسيمات من الشكل 2 تبين. بالإضافة إلى ذلك، ينبغي أن تنخفض السرعات بالقرب من جدار نظرا لحالة عدم الانزلاق 9. الحقول السرعة اللحظية هو مبين في الشكل (3) تناسب كلا من هذه المعايير المادية. آخر متري مفيدة لتقييم صحة النتائج التعريف الشخصي هو تحديد خيار متجه من كل ناقلات في مجال ناقل السرعة. بشكل عام، يجب أن مجال ناقلات تتكون من&gt; = 95٪ ناقلات الخيار الأول، أي تلك التي تتطلب أي تجهيز آخر، بحيث قوية خوارزميات مرحلة ما بعد المعالجة يمكن أن تستخدم لكشف واستبدال ناقلات زائفة دون إنتاج القطع الأثرية كبيرة 2. الحقول ناقلات حظية هو مبين في <sترونج&gt; الشكل 3 وتتكون كليا من 1 ناقلات الاختيار. أهمية عالية السرعة، أو سينمائي، والقياسات التعريف الشخصية يصبح واضحا من إجراء تفتيش لتسلسل زمني من الصور التدفق. وتظهر السرعة اللحظية (V ط) وتقلب سرعة (V &#39;) حقول المتجهات في بداية ووسط ونهاية تسلسل تسجيل في الشكل 3. باستخدام التحلل رينولدز، V i هو مجموع الحقل سرعة بلغ متوسط ​​( <img alt="معادلة" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> ) وV &#39;10. لهذه التجربة، <img alt="معادلة" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> تم يحدده زمنيا المتوسط ​​كل الصور في تسلسل. الحقول ناقلات حظية من خلالخارج تسلسل تسجيل متشابهة جدا، وتظهر تدفق الانتقال من اليسار إلى اليمين. وتشير هذه النتائج إلى أن تدفق هو في الغالب في الاتجاه الأفقي منذ عنصر السرعة الأفقية (ش) هو أكبر بكثير من عنصر السرعة العمودية (V). وتشير حقول المتجهات تقلب أيضا أن التقلبات السرعة الافقية (U &#39;) تكون أكبر من تقلبات سرعة عمودي (V&#39;). ومع ذلك، فإن التقلبات تشير أيضا إلى أن تدفق يتباطأ منذ U &#39;عكس اتجاهه في جميع أنحاء تسلسل تسجيل. وتظهر ملامح في عدة أوقات مختلفة طوال تسلسل تسجيل في الشكل (4) والتحقق من أن تدفق يتباطأ مع مرور الوقت - تحت متوسط ​​الوقت ولحظية. يو - لمحات نحنإعادة يحدده بمعدل أربعة أعمدة ناقلات المجاورة معا لتحسين الدلالة الإحصائية للنتائج على مقربة من الجدار. تم استخدام الإجراء في الأعمال السابقة 6،8. أشرطة الخطأ تشير إلى ضعف الانحراف المعياري للأعمدة أربعة ناقلات المجاورة. يحدث أكبر شريط خطأ بالقرب من سطح اللوحة ويؤكد صعوبة باستخدام خوارزميات ارتباط التعريف الشخصي للمناطق ذات الكثافة المنخفضة البذر. صممت العديد من خوارزميات تحليل لمعالجة كثافة البذر منخفضة مثل PTV 5،6 ونهج الترابط على متوسط ​​الوقت 7،8. <img alt="الشكل 1" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig1.jpg" /> الشكل 1. الفوق الجمعية. <img alt="الشكل 2" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2.jpg" /> الشكل 2. الصور الجسيمات في 32 × 32 بكسل الاستجواب بالقرب من الجدار في) ر = 0.2 ميللي ثانية وب) T = 0.4 ميللي ثانية. الأبعاد المادية من إطار التحقيق هي 96 × 96 ميكرون 2. <img alt="الشكل (3)" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig3.jpg" /> الرقم 3 على اليسار: حظية (V I)، وعلى اليمين: تذبذب (V &#39;) الحقول سرعة في بداية ووسط ونهاية تسلسل تسجيل. وتتكون حقول المتجهات تماما من نواقل الخيار الأول. ويرد فرعية أصغر من حقول المتجهات للوضوح. الحقول أنا V تشير إلى تدفق تتحرك من اليسار إلى اليمين في حين V &#39;الاتجاه المعاكس. يرجى ملاحظة أن يظهر فقط كل عمود ناقل الرابعة في الاتجاه الأفقي للوضوح. بالإضافة إلى ذلك، مقياس سرعة بين ط V والميادين V &#39;يختلف على النحو المبين في أعلى الزاوية اليسرى من كل صورة. <img alt="الشكل 4" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig4.jpg" /> الشكل 4. سرعة (U) لمحات أفقي في أوقات مختلفة في جميع أنحاء التدفق. ويظهر ملف تعريف مع الدوائر - الوقت بلغ متوسط ​​يو. أشرطة الخطأ التي تظهر على T = 0.1 ميللي ثانية الشخصي هي ممثل أشرطة الخطأ لجميع الأوقات الأخرى. التاريخ الوقت من U - لمحات يظهر انخفاضا في تدفق مرور الوقت.

ووصف الإجراء لدراسة تدفقات عابرة قرب الحدود باستخدام عالية الدقة، صورة جسيمات عالية السرعة velocimetry (التعريف الشخصي) هنا. التعريف الشخصية هي تقنية القياس غير تدخلية تنطبق على أي تدفق للوصول بصريا عن طريق تحسين العديد من المعوقات المعلمة مثل الصورة وتسجيل العقارات، وخصائص ورقة ليزر، وخوارزميات التحليل.

عالي السرعة الجسيمات Velocimetry صورة قرب السطوح

Multi-dimensional and transient flows play a key role in many areas of science, engineering, and health sciences but are often not well understood. The ...

الهدف العام من هذا الفيديو هو توضيح كيفية إعداد وتشغيل تجربة قياس سرعة الصور الجسيمية على طاولة المختبر. أولاً، قم بتقدير معاملات التسجيل اللازمة لتحديد السرعات والتدرجات المتوقعة في التدفق. الخطوة الثانية هي ضبط كثافة الجسيمات لتحقيق وجود من 8 إلى 10 جسيمات لكل نافذة استجواب.بعد ذلك، قم بضبط معدل إطارات الكاميرا والفاصل الزمني بين نبضات الليزر. ولتحقيق إزاحة في الجسيمات بين أزواج الصور تقل عن ربع حجم نافذة الاستجواب، تتمثل الخطوة النهائية في تسجيل البيانات ومعالجة النتائج باستخدام خوارزميات المعالجة المناسبة. وفي نهاية المطاف، يمكن استخدام قياس سرعة صورة الجسيمات لدراسة بنية وديناميكيات أي تدفق يتوفر فيه وصول بصري كافٍ. وتتمثل المزايا الرئيسية لهذه التقنية مقارنة بطرق قياس التدفق الحالية، مثل قياس السرعة بالسلك الساخن أو أنابيب بيتو، في كونها غير اقتحامية ومتعددة الأبعاد.يمكن لهذه الطريقة المساعدة في الإجابة على أسئلة جوهرية حول مجال تدفق السرعة في العديد من التطبيقات، مثل بنية وديناميكا تدفق الطبقة الحدودية العابرة المتكونة في محرك الاحتراق الداخلي. تستخدم هذه التجارب الليزر، لذا تأكد من مراجعة تدابير السلامة الخاصة بالليزر والحصول على معدات السلامة الصحيحة قبل البدء. يجب على كل تجريبي ارتداء نظارات السلامة المناسبة.قم بتعليق ستائر السلامة الخاصة بالليزر. ولعزل تجربة الليزر، استخدم ضوء تحذير لتنبيه الآخرين عند تشغيل الليزر. كخطوة أولى، حدد عدسة كاميرا مناسبة، وتحديداً عدسة مجهر ذات مسافة عمل طويلة لهذا الإعداد.بالإضافة إلى ذلك، يتم تحديد معدل إطارات الكاميرا والتأخير الزمني بناءً على الإرشادات العملية لتناظر صور الجسيمات V. في هذا الفيديو، سيتم دراسة التدفق بالقرب من سطح صفيحة. يعتمد معدل الإطارات والتأخير الزمني على تقديرات سرعات التدفق في المنطقة القريبة من الجدار.تأكد من استواء الليزر ومن وضع البصريات المكونة للحزمة في مكانها. في هذا العرض التوضيحي، يتشتت الضوء من قطرات زيت السيليكون المتكونة. باستخدام مرذاذ الزيت، قم بتشغيل التدفق واضبط كثافة التوزيع باستخدام فوهات المرذاذ وصمامات التجاوز الموجودة في المرذاذ.ابدأ عملية التحسين بالتأكد من تهيئة وحدة التحكم عالية السرعة والبرمجيات بشكل صحيح. اضبط الكاميرا على التسجيل المستمر. ثم قم بتشغيل الليزر والمرذذ.قم بضبط بؤرة المجهر بعيد المدى لتصوير الجسيمات بوضوح. تأكد أيضاً من أن شدة صور الجسيمات لا تؤدي إلى إشباع الكاميرا. وبمجرد الحصول على صور جسيمات بؤرية دقيقة، قم بإيقاف تشغيل وضع الاستحواذ المستمر.سجّل عدة مئات من صور التدفق عند الانتهاء، ثم افحص الصور المسجلة للتأكد من دقة التركيز والاستقرار المناسب للجزيئات، وأن يكون انزياح الجزيئات في حدود ثماني بكسلات بين الصور. إليك مثال على التوزيع المتناثر للجزيئات وانزياح للجزيئات بنحو بكسل واحد في نافذة بحجم 32 × 32 بكسل لتصحيح كثافة توزيع الجزيئات. قم بزيادة أو تقليل عدد نفثات المرذاذ لضبط مقدار الانزياح بين الصور.قم بزيادة أو تقليل الفاصل الزمني بين نبضات الليزر. هذا المثال يقترب من الحالة المثالية بوجود ثمانية إلى 10 جسيمات لكل نافذة استجواب بحجم 32 في 32 بكسل، وتنزاح الجسيمات بمقدار أقل من ثمانية بكسلات. إذا كان من الصعب تتبع مجموعات الجسيمات عبر سلسلة من الصور، كما هو الحال في هذه الصور، فقد يكون هناك قدر كبير من الحركة خارج المستوى.قم بتعديل إزاحة الكاميرا عن نقطة البؤرة أو زيادة مسافة العمل بينها وبين الورقة الضوئية للتعويض عن الحركة المفرطة خارج المستوى. وأخيراً، بعد إجراء كافة التعديلات مرة أخرى، سجل عدة مئات من الصور وافحص الجسيم. قم بتغيير كثافة التشتيت والتركيز.كرر عمليات الضبط حتى يتم استيفاء المعايير. قبل كل تشغيل للتجربة، قم بإجراء معايرة لشدة الكاميرا مع وضع الغطاء على مجموعة الكاميرا لتحديد مرجع للشدة. بعد انتهاء المعايرة، قم بإزالة الغطاء.اضبط الليزر على معدل التكرار والتيار اللذين تم تحديدهما كقيم مثالية. وقبل تحويل الليزر إلى الوضع الخارجي، تأكد من أن الليزر يتلقى إشارة تحفيز مستمرة تتطابق مع التردد المحدد. ثم قم بتشغيل وضع التسجيل في الليزر.سلسلة من صور الخلفية لورقة الضوء وهي تلامس سطح الطبق فقط. لا يوجد تشتت ملحوظ في الخلفية، وبالتالي تكون معظم الصور مظلمة. احفظ هذه الصور للمعالجة لاحقاً.ابدأ الآن التدفق واتركه حتى يستقر مع ضبط الكاميرا على وضع الالتقاط المستمر للصور، وتحقق من أنها تلتقط صوراً مركزة للجزيئات. بمجرد القيام بذلك، أوقف وضع الالتقاط المستمر. لكل عملية تشغيل، أدخل عدد الصور المطلوب جمعها.ثم اضغط على زر التسجيل. وبمجرد انتهاء التسجيل، أوقف التدفق والليزر. راجع تسلسل الصور للتحقق من انزياح الجسيمات وكثافة الترسيب وتركيز صورة الجسيمات.إذا كانت النتائج مرضية، فقم بحفظ التسجيل. قم بإجراء عدد من التشغيلات حسب الحاجة لضمان الإعداد الصحيح أو لأغراض الإحصاء. في كل مرة يتم فيها تغيير تجميع الكاميرا أو التركيز، التقط صوراً للمساعدة في تحديد موقع السطح في التحليلات اللاحقة.أولاً، قم بزيادة وقت التعريض للكاميرا. بعد ذلك، ضع هدف معايرة على مستوى ورقة الضوء وتأكد من ملامسته للصفيحة. قم بإضاءة الهدف من الخلف باستخدام مصدر ضوئي مع استمرار الكاميرا في تسجيل الصور.قم بضبط الهدف بحيث تكون الصورة المسجلة في حالة تركيز وبدون تشويه. تأكد من أن نقطة التلامس بين اللوح والهدف مرئية في الصورة؛ حيث يعد ذلك أمراً بالغ الأهمية لتحديد موقع اللوح في السجل الصوري. قم بتسجيل 10 صور لهدف المعايرة، وتتم معالجة البيانات باستخدام برنامج متخصص.أولاً، قم بحساب المتوسط لكل مجموعة مكونة من 10 صور معايرة. استخدم الصورة المتوسطة الناتجة في مربع حوار المعايرة لصور الهدف. سيحدد هذا الأبعاد الحقيقية للعالم في الصور المكتسبة.قم بتطبيق كل صورة معايرة على مجموعة الصور المقابلة لها من هذه المجموعة. حدد موقع الطبقة في الصور التي تمت معايرتها. بعد ذلك، قم بحساب متوسط صور الخلفية.قارن عددات الشدة للصورة الخلفية المتوسطة بتلك الخاصة بالجسيمات المستقرة لتحديد ما إذا كان انعكاس الليزر من السطح يساهم بشكل كبير في ضجيج الخلفية. في هذه التجربة، لم تساهم الانعكاسات بشكل كبير في الخلفية. قم بمعالجة صور التدفق المعايرة مسبقاً باستخدام مرشح تمرير عالٍ لإزالة تقلبات الشدة الكبيرة في الخلفية، ولن يؤثر ذلك على إشارات الجسيمات في هذه الحالة.قم الآن بتحديد المنطقة التي سيتم فيها إجراء تحليل عدم التماثل لجميع صور الجسيمات في هذا البرنامج باستخدام قناع هندسي. بعد ذلك، اختر إجراءً لحساب المتجهات. يقوم خيار البرنامج هنا بإجراء ممرين أوليين باستخدام نوافذ استقصاء مربعة مكونة من 64 في 64 بكسل مع تداخل بنسبة 50%.يتبع ذلك إجراء ثلاث تمريرات باستخدام نوافذ استجواب مربعة بحجم 32 في 32 بكسل مع تداخل بنسبة 50% في البرنامج. يتم تطبيق روتينيات فرعية لإزالة متجهات السرعة التي لا تستوفي المعايير الموضوعة لضمان جودة نتائج الارتباط المتبادل. تُظهر هذه البيانات العينة باللون الأحمر مجال متجه السرعة بالقرب من سطح لوح كدالة للمسافة على طول السطح والارتفاع فوق السطح.مباشرة بعد الحساب. أولاً، يتم تطبيق برنامج فرعي لإعادة تعريف منطقة التحليل، حيث تقوم البرامج الفرعية أولاً بتحديد نسبة الذروة، والتي تقارن أعلى ذروات الارتباط بالارتباط الشائع. تشير ناقلات الخلفية ذات نسب الذروة القريبة من واحد إلى ذروة خاطئة ويتم إزالتها، وهو ما يظهر هنا من خلال المربعات البيضاء والأسهم المفقودة.بعد ذلك، تقوم الروتينات البرمجية برفض المتجهات التي تحتوي على مركبة لا تقع ضمن نطاق جذر متوسط المربع الواحد للوسيط لتلك المركبة كما تم حسابه من مجموعة فرعية من المتجهات، كما تعمل الروتينات أيضاً على إزالة المتجهات الزائفة التي تنشأ عن التداخل الكبير في حساب متجه السرعة. وكخطوة أخيرة، تقوم الروتينات بملء الفراغات في الحقل عن طريق الاستيفاء بين المتجهات المجاورة غير الصفرية. وتظهر هذه المتجهات باللون الأرجواني.كخطوة نهائية، يتم تقييم جودة النتائج؛ حيث تم قياس تدفق النتائج بالقرب من سطح لوح مسطح، وتم الحصول على بيانات حقول السرعة اللحظية وسرعة التذبذب في هذا المخطط. يظهر في الجهة اليسرى جزء من حقل السرعة اللحظية عند الزمن T يساوي 0.1 milliseconds، بينما يظهر حقل سرعة التذبذب في الجهة اليمنى. لاحظ أن المتجهات المقدمة للمقياس موجودة في أعلى يسار كل مخطط؛ وفي وقت لاحق، وتحديداً في خطوة في منتصف تسلسل التسجيل، يظل حقل السرعة اللحظية على اليسار مستقراً، بينما تغير حقل التذبذب بشكل كبير.انخفض مقدار المتجهات وأصبح هناك تجانس أقل في الاتجاه بالقرب من نهاية تسلسل التسجيل. ولا يزال حقل السرعة اللحظية يظهر الاتجاه العام للتدفق من اليسار إلى اليمين. وقد عكس حقل التقلب اتجاهه.يوضح هذا الشكل ملف السرعة الأفقية في أوقات مختلفة أثناء التدفق. وتمثل أشرطة الخطأ الموضحة في ملف T يساوي 0.1 milliseconds أشرطة الخطأ لجميع الأوقات الأخرى. يلاحظ أن السجل الزمني يظهر انخفاضاً في التدفق بمرور الوقت.يوضح المخطط البياني بمتوسط زمني باستخدام الدوائر. بعد مشاهدة هذا الفيديو، يجب أن يكون لديك فهم جيد لكيفية ضبط وتحسين معلمات التماثل في تصوير الجسيمات لتكييف الإجراء مع أي استقصاء للتدفق. لا تنسَ أن العمل بليزر يمكن أن يكون خطيراً للغاية، لذا يجب دائماً اتخاذ الاحتياطات مثل ارتداء النظارات الواقية واستخدام علامات تحذيرية لتنبيه الآخرين أثناء تنفيذ هذا الإجراء.

high-speed-particle-image-velocimetry-near-surfaces

Research

JoVE Journal

Engineering

الهندسة

هذا البروتوكول ينص على تعليمات حول كيفية استخدام جهاز قائم بذاته velocimetry تحت الماء (SCUVA) ، الذي صمم لتقدير حجم تدفقات الحيوانية التي تم إنشاؤها في الموقع. بالإضافة إلى ذلك ، يعالج هذا البروتوكول التحديات التي تفرضها الظروف الميدانية ، ويتضمن الاقتراح المشغل ، والموقف من الحيوانات التنبؤ ، واتجاه SCUVA.

قياس الكمي في الموقع التدفقات باستخدام جهاز قائم بذاته Velocimetry تحت الماء (SCUVA)

يوصف صورة الجسيمات صدى velocimetry (EPIV) نظام قادر على الحصول على ثنائي الأبعاد في مجالات سرعة السوائل مبهمة بصريا أو من خلال هندستها مبهمة بصريا، ويتم التحقق من صحة القياسات ذكرت في تدفق الأنابيب.

صدى الجسيمات Velocimetry صورة

ويرد تقنية الكمي لأداء ثلاثي الأبعاد (3D) التصوير لمجموعة من التدفقات السوائل. باستخدام مفاهيم من منطقة حقل التصوير الخفيفة، ونحن إعادة بناء كميات من صفائف 3D من الصور. نتائجنا 3D تمتد مجموعة واسعة بما في ذلك الحقول السرعة ومتعددة المراحل توزيعات حجم الفقاعة.

تحديد الحقول تدفق 3D عبر موضوع ضوء الكاميرا التصوير الميدانية

يتم استخدام الجسيمات الدقيقة velocimetry صورة (μPIV) لتصور الصور المقترنة من الجسيمات الدقيقة المصنفة في تدفقات الدم التي هي عبر المترابطة لإعطاء لمحة سرعة دقيقة. معدل القص، وأقصى سرعة، سرعة شكل الملف الشخصي، ومعدل التدفق، كل منها لديه التطبيقات السريرية، ويمكن أن تستمد من هذه القياسات.

الجسيمات الدقيقة Velocimetry صورة لسرعة الشخصي قياسات يتدفق الدم مايكرو

ووصف ثلاثي الأبعاد تتبع الجسيمات السرعة بواسطة (3D-PTV) نظام يقوم على كاميرا عالية السرعة مع الخائن أربعة الرأي هنا. يتم تطبيق هذه التقنية لتدفق طائرة من أنبوب دائري في محيط عشرة أقطار المصب في عدد رينولدز إعادة ≈ 7000.

ثلاثي الأبعاد السرعة بواسطة الجسيمات تتبع للتطبيقات الاضطراب: حالة من تدفق جت

وترد اثنين من أساليب مختلفة لوصف حركة الجسيمات الأولية حبة واحدة كدالة لهندسة سرير الرواسب من الصفحي لتدفق المضطرب.

بصريا على أساس توصيف الحركة الجسيمات الأولية في ركائز العادية: من الصفحي الظروف المضطربة

الأسلوب الموصوفة هنا يوفر طريقة منخفضة التكلفة وبسيطة نسبيا في الوقت نفسه قياس الجسيمات علم الحركة والاضطراب في التدفقات مع تركيزات منخفضة من الجسيمات. الاضطراب الذي يقاس باستخدام الجسيمات الصورة فيلوسيميتري (PIV)، وتحسب الكينماتيكا الجسيمات من الصور التي تم الحصول عليها مع كاميرا عالية السرعة في تداخل حقل-من-وجهة نظر.

قياس واحد من الاضطراب والجسيمات الكينماتيكا التدفق تقنيات التصوير باستخدام

نقدم هنا أساليب مبسطة لاختلاق أشباح neurovascular شفافة وتميز التدفق فيه. تسليط الضوء على العديد من المعالم الهامة، وتثبت علاقتها بدقة الحقل.

الحجم المتوسط الجسيمات الصورة فيلوسيميتري دراسات Neurovascular التدفقات في المختبر

يصف هذا البروتوكول قياسات قياس سرعة صورة الجسيمات (PIV) التي أجريت للتحقيق في تدفق الجيوب الأنفية من خلال الإعداد المختبري للصمام الأبهري عبر القسطرة (TAV). يتم أيضا تحديد المعلمات الديناميكية الدموية على أساس السرعة.

دراسة قياس سرعة صورة الجسيمات لديناميكا الدم عبر الأبهر الوهمي

نقدم منصة فريدة لوصف السطوح الصلبة في القطب أكسيد خلايا الوقود (SOFCs) التي تسمح الأداء المتزامن لتقنيات توصيف متعددة...

التحقيق ورسم الخرائط أسطح الكهربائي في خلايا الوقود الصلبة أكسيد

اكتشف كيفية إعداد وتشغيل تجربة سرعة الجسيمات البصرية عالية السرعة لدراسة الجريان العابر بالقرب من الأسطح. تُستخدم هذه التقنية غير التدخلية لتحليل ديناميكيات السوائل بدقة عالية.

عالي السرعة الجسيمات Velocimetry صورة قرب السطوح

استكشف المزيد من الفيديوهات