Name: Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים (וידאו) | JoVE Journal
Uploaded: 2013-06-24T14:00:00.000+00:00
Duration: 11 min 59 s
Description: למד כיצד להגדיר ולהפעיל ניסוי velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים. שיטה זו מאפשרת ניתוח זרימה לא פולשני ורב-ממדי בדינמיקת נוזלים.

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

playerTrialDesktop

חומר זה מבוסס על העבודה נתמכת על ידי הקרן הלאומית למדע בארה&quot;ב תחת גרנט לא CBET-1032930 ועבודות שבוצע באוניברסיטת כמותי לייזר האבחון במעבדה של מישיגן.

<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>

יש מחברים אין לחשוף.

כמו בכל טכניקת מדידה אופטית זרימה, תכנון ההתקנה של velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה (PIV) דורש הערכה של אילוצים ופשרות הערכה הטובות ביותר למשימה המדידה בהישג יד. הבחירה של הגדלת תמונה, מסגרת דולר, נכסי חוץ לייזר, וניתוח אלגוריתמים תלויה בפרטים של הזרימה תחת מחקר. אם יהיה בכך צורך, חייבים להתנהל מדידות גישוש לזהות הגדרות פרמטרים למדידות איכות גבוהות. מאמר זה מתאר את ההליך באופן כללי וחלק מתוצאות המדגם לPIV במהירות גבוהה כדי ללמוד את שכבת הגבול של זרימה לאורך צלחת שטוחה. רצף של 500 תמונות נרשם ב5 קילוהרץ. מיקרוסקופ למרחקים ארוכים היה בשימוש כדי להשיג מ&quot;מ תחום של נוף 2.4 x 1.8 2 הממוקם על פני השטח הצלחת. תאורה באיכות גבוהה של טיפות שמן הזרעים הושגה עם קרן מליזר מצב מוצק דיודה-נשאב פעם שהורחב לאור sheet באמצעות homogenizer קורה. קרן homogenizer מכיל מערך עדשת מיקרו מורכב מעדשות גליליות קטנות וטלסקופים נוספים, משולבים. מיקרו עדשת המערך מרחיב את האלומה המעגלית בכיוון האנכי על ידי פיצול אלומת האור הנכנס לbeamlets. ואז הטלסקופ הבא כופה את beamlets ליצור גיליון אור עם חלוקת עוצמת אור אפילו במטוס גיליון האור הרגיל להתפשטות הקורה. תמונות עובדו באמצעות אלגוריתם חוצה קשר PIV. יצוין כי קרן הומוגני היא מועילה, במיוחד כאשר עובדים ליד משטחים, אבל זה לא קריטי ליישום המתואר כאן. השיטה שתוארה בהליך זה מאפשרת לחקירות שאינן פולשניות ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה על תזרים באמצעות אלגוריתמי מתאם חזקים. היתרונות העיקריים של שיטה זו ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה הם רזולוציה מדידת מרחב ובזמן ואת היכולת לזהות ולעקוב אחרהאבולוציה של מבנים בתוך הזרימה. שימוש בשיטות אלה, Alharbi 6 וJainski et al. 8 הדגימו את היכולת לדמיין ולעקוב אחר מבני מערבולת בתוך שכבת הגבול של מנוע בעירה פנימי. תכונות עיקריות אלה מאפשרות חקירות על המבנה והדינמיקה של זרמים חולפים מאוד. יתר על כן, ניתן להרחיב מעבר PIV, שדות מהירות דו רכיבים דו ממדים (2D-2C) (כפי שמתואר כאן) כדי לפתור את 3 רכיבים (3C) במטוס (סטריאו-PIV) ובנפח (טומוגרפית PIV , סריקת PIV, הולוגרפית PIV). בנוסף, PIV עשוי להיות מיושם עם טכניקות אחרות כגון לייזר מישוריים-Induced הקרינה (PLIF), מסונן ריילי פיזור (FRS), וphosphors thermographic כדי להשיג מדידות 2D בו זמניות של מהירות וscalars האחרים (טמפרטורה, ריכוז מינים, יחסי שקילות) 11 -14. שיטות אופטיות, המבוססים על לייזר אלה יכולות להיות מיושמות באופן ישיר לחקירה והמוניתתהליכי חילופי אנרגיה ביישומים רבים, כגון קיר קרוב זורמים במנוע בעירה פנימי.

מדידות רב ממדיות של מהירויות והיכולת לעקוב אחר שדה הזרימה בזמן לספק מידע קריטי בתחומים רבים של מדע, הנדסה, ומדעי בריאות. בין הטכניקות הנפוצות ביותר להדמית זרימה הוא velocimetry תמונת החלקיקים (PIV). בתחילה הוקם כטכניקה מישוריים שתמונות מדודות של שניים במטוס רכיבי מהירות, גרסאות PIV פותחו כדי לספק יכולות מדידה של שלושה מרכיבים ונפח. כל המערכות מורכבות מחלקיקי PIV נותבים, אחד או יותר מקורות אור, ואחד או יותר מצלמות. חלקיקים מוצקים או טיפות משמשים בדרך כלל כחלקיקים נותב אבל בועות הגלומות בתזרים עשויות לשמש גם כחלקיקים נותבים. המצלמה (ים) ואז תמונה (ים) או מפוזרת נפלט אור מהחלקיקים נותב אחרי שהם מוקרנים על ידי מקור האור (ים). בין מגוון הרחב של וריאציות 1,2 אחד הנפוצה ביותר לוכד שני רכיבי מהירות במטוס בחולדהדואר של כמה פריימים לשנייה. לאחרונה, מכשור חדש אפשר מדידות שיעור גבוהה מסגרת (&gt; קילוהרץ 1) כי פעל זרימה בסקלות זמן סוערת בטווח קילוהרץ. PIV קובע תחום מהירות על ידי מעקב אחר התנועה הממוצעת של קבוצות חלקיקים מזוג התמונות כי הם מופרדים על ידי עיכוב זמן ידוע. כל תמונה מחולקת לרשת של Windows חקירה במרווחים קבוע. גודל חלון החקירה הנפוץ ביותר הוא 32 פיקסלים 32. אלגוריתם מחשב את הפונקציה חוצה קשר לחקירה את כל החלונות, וכתוצאה מעקירת וקטור אחד לכל חלון חקירה ולכן מייצר רשת רגילה של וקטורים. חלוקת שדה וקטור ההעתקה על ידי עיכוב זמן לאחר מכן קובעת את שדה וקטור המהירות. בעת תכנון מדידות PIV זה חשוב להבין, כי בדרך כלל הבחירה של הגדרות ניסיוניות היא פשרה בין דרישות סותרות. במילים אחרות, ההתנסותתנאים נפשיים צריכים להיות מתוכננים בקפידה כדי ללכוד את ההיבטים של התזרים שהם בעלי חשיבות ללימוד בהישג יד. את הספרים של ראפל et al. 1 ואדריאן וסטרוויל 2 לספק דיונים מעמיקים מצוינים של האילוצים הללו. כאן אנו מדגישים כמה שהם קריטיים ביותר בהקשר הנוכחי. הבחירה של השדה של הנוף (FOV) תקבע את נקודת הפתיחה לבחירת הפרמטר כאן. מספר הפיקסלים בשבב המצלמה ולאחר מכן קובע את הרזולוציה מרחבית ומספר הווקטורים שמתקבלים, בהנחה שמישהו בוחר להשתמש גדלי חלון חקירה של 32 פיקסלים 32, לעתים קרובות עם חפיפה 50% במהלך ההליך חוצה קשר. צפיפות זריעה של 8-10 חלקיקים לכל חלון חקירה בדרך כלל רצויה לסייע לתפקוד חוצה קשר. עם זאת, יש אלגוריתמים מיוחדים, כגון velocimetry מעקב אחר חלקיקים (PTV) וזמן ממוצע על מתאם גישות, שעשוילהשתמש בו כדי לטפל במצבים עם צפיפות זריעה נמוכה (1-3 חלקיקים / חלון חקירה) כפי שקורה עם הדמיה ליד משטחים. שים לב שהמהירות הדרגתיים בתוך כל חלון חקירה צריך להיות קטן, כדי למנוע הטיה בווקטור המתקבל הנציג לחלון זה. כלל של אגודל הוקם הוא שחלקיקי ההתקות בין הפריים הראשון והשני לא יעלו על 8 פיקסלים (¼ של גודל חלון החקירות) כדי לצמצם את המספר של זיווג הפסדים (הפסד של תמונות חלקיקים בתוך החלון מהחקירה הראשונה מסגרת למסגרת השנייה) למתאם. כתוצאה מכך, יש לו את הזמן בין שתי פעימות לייזר רצופות (DT) להיות בהתאם. עם זאת, הפחתת DT מתחת למקבילה של התקות 8-pixel תקטין את הטווח הדינמי המהירות בגלל מגבלת הרזולוציה הקצה התחתונה היא בסדר גודל של עקירת פיקסל 0.1. בדומה לעקירת W-8 פיקסלithin מטוס ההדמיה, חלקיקי המהירות הגבוהים ביותר לא צריכים לעבור יותר מ ¼ מעובי גיליון האור, שוב כדי לצמצם את מספר הפסדי זיווג. מאז השהות בין שתי פעימות לייזר משמשת כדי להבטיח את המתאמים הטובים ביותר בתוך מטוס גיליון האור, העובי של הגיליון הוא משתנה בהקשר זה. תוך האחידות של עוצמת האור היא לא קריטית כמו שזה הוא למדידות המבוססות על עוצמת כגון מישוריים לייזר מושרה הקרינה 3 הדמיה, פרופיל קרן העליון כובע ליד מסייע איכות PIV, במיוחד עבור הדמיה ברזולוציה גבוהה יותר. באופן כללי, כמה הנחות על אופי הזרימה במחקר יכולות לשמש כנקודת התחלה בבחירת פרמטרים ניסיוניים. לאחר מכן, יש צורך בניסויי הגישוש כדי לחדד את ההגדרות. כאן אנו מתארים כיצד להגדיר את ניסוי PIV המאפשר מדידות הדמיה קצב פריימים גבוהות של שניים compone מהירותNTS עם רזולוציה מרחבית שהוא נאות לפתרון מבני שכבת גבול. המטרה זו מושגת באמצעות שימוש בשיעור גבוהה חזרות TEM 00-דיודה שאוב לייזר מצב מוצק, מיקרוסקופ למרחקים ארוכים, ומצלמת CMOS קצב פריימים גבוהה. כמה פרטים על הדמיה ליד המשטחים כלולים גם.

<table><tbody><tr><td>מהירות גבוהה 532 ננומטר Nd:YAG לייזר </td><td>Quantronix</td><td>דגם: הוק I</td><td></td></tr><tr><td>מיקרוסקופ למרחקים ארוכים (QM-100)</td> דגם <td>Questar</td>: מצלמת CMOS מהירה <td>QM-100</td><td></td></tr><tr><td>(Phantom v7.3)</td> דגם <td>מחקר ראייה</td><td>: Phantom v7.3</td><td></td></tr><tr><td>Atomizer (TSI 9306)</td> <td>TSI</td><td>דגם: 9306</td><td></td></tr><tr><td>שמן סיליקון </td><td>Dow Corning CST 510</td><td>CST 510 נוזל</td><td></td></tr><tr><td>הומוגנייזר קרן </td><td>Fraunhofer</td><td></td><td>חלק בהתאמה אישית</td></tr><tr><td>45 & deg; רפלקטיביות גבוהה (HR) 532 ננומטר מראה מפנה </td><td>לייזר אופטיק</td><td></td><td>ספקים מרובים</td></tr><tr><td>צמצם</td><td></td><td></td><td>ספקים מרובים</td></tr><tr><td>כיול יעד</td><td></td><td></td><td>מותאם אישית חלק</td></tr><tr><td>PIV תוכנת הקלטה ועיבוד </td> תוכנת <td>LaVision</td><td>: Da Vis</td><td></td></tr><tr><td>בקר מהיר (HSC)</td> <td>LaVision</td><td></td><td></td></tr><tr><td>מסילה אופטית ומובילים </td><td></td><td></td><td>ספקים מרובים</td></tr><tr><td>בלוקים ומלכודות </td><td></td><td></td> קרן לייזר <td>ספקים מרובים</td></tr><tr><td>תושבות לאלמנטים </td><td></td><td></td><td>אופטיים ספקים מרובים</td></tr><tr><td>שלב תרגום </td><td>צינורות מתכת ניופורט</td><td></td><td></td></tr><tr><td>ליצירה זרימת סילון</td><td>מקמאסטר-קאר</td><td></td><td>ספקים מרובים</td></tr><tr><td>שילוב מרובע וריבוע</td><td></td><td></td> מרכזי <td>ספקים מרובים</td></tr></tbody></table>

velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

תזרים רב ממדי וחולף לשחק תפקיד מפתח בתחומים רבים של מדע, הנדסה, ומדעי בריאות אך לעתים קרובות אינו מובן היטב. האופי המורכב של זרמים אלה ניתן ללמוד באמצעות velocimetry חלקיק תמונה (PIV), טכניקת הדמיה מבוססת לייזר לתזרימי אופטי נגישים. למרות צורות רבות של PIV שקיימות להרחיב את השיטה מעבר למישורים מקורי יכולות מדידת מהירות של שני רכיבים, מערכת PIV הבסיסית מורכבת ממקור אור (לייזר), מצלמה, חלקיקים נותבים, וניתוח אלגוריתמים. ההדמיה והקלטת הפרמטרים, מקור האור, ואת האלגוריתמים מותאמים כדי לייעל את ההקלטה לזרימה של עניין ולקבל נתונים מהירות חוקיות. מהירויות שני מרכיבי מדד חקירות PIV נפוץ במטוס בכמה מסגרות לשנייה. שיעור גבוה מסגרת (&gt; קילוהרץ 1) מדידות עם זאת, ההתפתחויות האחרונות במכשור שהקלו מסוגלות לפתור transiאף אוזן גרון זורם עם רזולוציה גבוהה זמנית. לכן, יש לי מדידות שיעור גבוהה מסגרת חקירות מופעלים באבולוציה של המבנה והדינמיקה של זרמים חולפים מאוד. חקירות אלה לשחק תפקיד קריטי בהבנת הפיזיקה הבסיסית של תזרים מורכב. תיאור מפורט לביצוע ברזולוציה גבוהה, מישורי במהירות גבוהה PIV ללמוד זרימה חולפת סמוך לפני השטח של צלחת שטוחה מוצג כאן. פרטים עבור התאמת אילוצי הפרמטרים כגון תמונה ומאפייני הקלטה, את מאפייני גיליון לייזר, ועיבוד אלגוריתמים להסתגל PIV לכל זרימה של עניין כלולים.

תמונה של ההגדרה מוצגת באיור 1. תמונות חלקיקי גלם של חלון 32 x 32 פיקסל חקירה בסמוך לקיר משתי תמונות שצולמו ברצף מוצגות באיור 2. החלקיקים באיור 2a הם עקורים 2-3 פיקסלים לצד ימין באיור 2b ולספק את &quot;כלל רבע&quot;, שבו נקבע כי התקות חלקיקים במטוס ומחוץ למטוס לא יעלו על רבע מגודל חלון החקירה . בנוסף לכך, חלקיקי הצפיפות לחלון חקירה צריכה להיות בערך 8-10 חלקיקים מאז אלגוריתמי מתאם PIV לעקוב אחר קבוצות של חלקיקים. עם זאת, צפיפות הזריעה בסמוך לקיר PIV חקירות היא לעתים קרובות על סדר החלקיקים 1-3. לכן, יש להשתמש באלגוריתמים ייעודיים לטיפול במחקרים עם צפיפות זריעה נמוכה יותר, כגון חלקיקי מעקב velocimetry (PTV) אלגוריתמים, העוקבים אחר חלקיקים בודדים 1,2,4-6. גישת קורלציה זמן ממוצעים7,8 עשוי לשמש גם כדי לטפל בבעיות צפיפות זריעה נמוכות, אבל זה בדרך כלל גורם לאובדן של החלטה זמנית. בנוסף, הדמיה ליד קירות מושפעות השתקפויות לייזר בהירות שעשויים להשפיע לרעה על מתאמי PIV ולייצר וקטורי שווא. השתקפויות בהירות אלה גם להגביל את עמדתו של וקטור מהירות חוקי הראשון בכיוון הנורמלי הקיר. העיבוד מראש את תמונות חלקיקי הגלם הכרחי כדי לצמצם את ההשפעה של רעשי רקע ממקורות כגון השתקפויות לייזר. בהפגנה זו הווקטור חוקי הראשון היה ממוקם 23 מיקרומטר מהקיר. אחרי תמונות חלקיקי גלם מעובדות תוך שימוש באלגוריתמי מתאם PIV, יש לבחון את האיכות ותוקפם של שדות וקטור מהירות כתוצאה מכך. וקטורים מזויפים הם בלתי נמנעים בתחומי וקטור הגלם, אבל יש כמה מאפיינים ייחודיים. וקטורים שגויים נפוצים ליד משטחים, בשולי גיליון האור, ובקצות Oזרימת הפא. כמו כן, הגודל והכיוון של וקטורים לא חוקיים שונה באופן משמעותי מוקטורים שכנים ולא להפוך את התחושה פיזית. במקרה של דוגמא זרימת שכבת הגבול הזה, את וקטורי מהירות החוקיות צריכים להצביע משמאל לימין כפי שמציינות את התקות חלקיקים מאיור 2. בנוסף, מהירויות צריכה להקטין ליד הקיר בשל החלקה לא מצב 9. שדות המהירות הרגעיים שמוצגים באיור 3 יתאימו גם של קריטריונים הפיסיים אלה. מדד שימושי נוסף כדי להעריך את תוקפו של תוצאות PIV הוא לקבוע את בחירת הווקטור של כל וקטור בתחום וקטור המהירות. באופן כללי, שדה הווקטורים צריך להיות מורכב =&gt; וקטורי בחירה הראשונים של 95%, כלומר אלה שלא נדרשו לאחר עיבוד, כך שאלגוריתמים לעיבוד פוסט חזקים עשויים לשמש כדי לזהות ולהחליף את וקטורים מזויפים מבלי לייצר חפצים ניכרים 2. שדות הווקטור מיידיים שמוצג ב <sטרונג&gt; איור 3 מורכבים כולו מוקטורי 1st בחירה. המשמעות של מדידות במהירות גבוהה, או קולנועיות, PIV מתברר מבדיקה של רצף זמן של תמונות זרימה. שדות וקטור מהירות רגעית (v i) ותנודות מהירות (V &quot;) בתחילת, האמצע וסוף של רצף ההקלטה מוצגים באיור 3. באמצעות פירוק ריינולדס, V אני הוא הסכום של שדה מהירות הממוצע ( <img alt="משוואה" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> ) ו-V &#39;10. לצורך ניסוי זה, <img alt="משוואה" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> נקבע על ידי חישוב ממוצע באופן זמני את כל התמונות ברצף. שדות הווקטור מיידיים באמצעותאת רצף ההקלטה דומים מאוד ומראה את הזרימה עוברת משמאל לימין. תוצאות אלו מצביעות על כך שגם הזרימה היא בעיקר בכיוון האופקי מאז רכיב המהירות האופקי (U) הוא הרבה יותר גדול מאשר רכיב המהירות האנכי (V). שדות וקטור התנודות גם מצביעים על כך שניודי המהירות האופקיים (U &#39;) גדולים יותר מתנודות המהירות האנכיות (V&#39;). עם זאת, התנודות גם מצביעות על כך שהזרימה היא ההאטה מאז U &#39;היפוך הכיוון שלה לאורך כל רצף ההקלטה. U בזמן הממוצעים והמיידי - הפרופילים בכמה פעמים שונות לאורך רצף ההקלטה מוצג באיור 4 ולוודא שהזרימה היא להאט במשך זמן. U - הפרופיליםמחדש נקבע על ידי ממוצעים של ארבעה עמודים וקטורית סמוכים יחד כדי לשפר את המובהקות סטטיסטיות של התוצאות קרובות לקיר. ההליך היה בשימוש בעבודה קודמת 6,8. הברים השגיאה מצביעים פעמיים סטיית התקן של ארבעה עמודים וקטורית הסמוכים. בר השגיאה הגדול ביותר מתרחש בקרבת פני השטח של הצלחת ומחזק את הקושי של שימוש באלגוריתמי מתאם PIV לאזורי צפיפות זריעה נמוכה. אלגוריתמים לניתוח כמה הם נועדו לתת מענה צפיפות זריעה נמוכה כגון PTV 5,6 וגישות מתאם הזמן ממוצעות על 7,8. <img alt="איור 1" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig1.jpg" /> איור 1. Benchtop הרכבה. <img alt="איור 2" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2.jpg" /> איור 2. תמונות חלקיקים בחקירת 32 x 32 פיקסל ליד הקיר ב) t = 0.2 אלפיות שני וב) t = 0.4 אלפיות שני. את הממדים הפיסיים של חלון החקירה הם 96 x 96 מיקרומטר 2. <img alt="איור 3" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig3.jpg" /> איור 3 משמאל:. מיידי (v i), ומצד ימין: (V &#39;) שדות מהירות תנודות בתחילת, האמצע וסוף של רצף ההקלטה. שדות וקטור מורכבים כולו מוקטורים הראשון בעדיפות. משנה קטן יותר של תחומי הווקטור מוצג לבהירות. שדות V אני מצביעים על זרימת תנועה משמאל לימין ואילו הכיוון ההפוך &quot;V. יש לציין כי רק בכל עמודה רביעית וקטור בכיוון האופקי מוצגת לבהירות. בנוסף, בקנה מידה המהירות בין השדות ואני V &quot;V הוא שונה כפי שצוין בפינה השמאלית העליונה של כל תמונה. <img alt="איור 4" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig4.jpg" /> איור 4. אופקי מהירות (U) פרופילים בזמנים שונים במהלך הזרימה. u בזמן ממוצעים - פרופיל מוצג במעגלים. ברים שגיאה המוצגים על t = 0.1 אלפיות פרופיל הם נציג של ברים שגיאה עבור כל פעמים אחרות. ההיסטוריה הזמן של U - פרופילים מציגה ירידה בזרימה לאורך זמן.

הליך ללימוד תזרים חולף ליד הגבולות באמצעות velocimetry ברזולוציה גבוהה, במהירות גבוהה חלקיק תמונה (PIV) מתואר כאן. PIV הוא טכניקת מדידה לא פולשנית ישימה לכל זרימה אופטית נגישה על ידי אופטימיזציה של כמה אילוצי פרמטרים כגון מאפייני התמונה והקלטה, את מאפייני גיליון לייזר, וניתוח אלגוריתמים.

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

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 ...

המטרה הכוללת של סרטון זה היא להדגים כיצד להקים ולהפעיל ניסוי למדירת מהירות באמצעות דימות חלקיקים (particle image velocimetry) על גבי שולחן מעבדה. ראשית, העריכו את פרמטרי ההקלטה הדרושים כדי להבחין במהירויות ובגרדיאנטים הצפויים בזרימה. השלב השני הוא התאמת צפיפות החלקיקים כדי להשיג שמונה עד 10 חלקיקים לכל חלון שאילתה (interrogation window).בשלב הבא, התאימו את קצב הפריימים של המצלמה ואת הזמן בין פולסי הלייזר. כדי להשיג סטייה של חלקיקים בין זוגות תמונות הגדולה מרבע מגודל חלון התשאול, השלב האחרון הוא להקליט נתונים ולעבד את התוצאות באמצעות אלגוריתמי עיבוד מתאימים. בסופו של דבר, ניתן להשתמש בסימטריה של תמונות חלקיקים (particle image velocimetry) כדי לחקור את המבנה והדינמיקה של כל זרימה בעלת גישה אופטית מספקת. היתרונות המרכזיים של טכניקה זו על שיטות קיימות למדידת זרימה, כגון אנימומטר חוט חם או צינורות פיטו (PTO tubes), הם היותה לא פולשנית ורב-ממדית.שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מרכזיות לגבי שדה זרימת המהירות ביישומים רבים, כגון מבנה ודינמיקה של זרימת שכבה גבולית חולפת הנוצרת במנוע בעירה פנימית. ניסויים אלה משתמשים בלייזרים, לכן יש לוודא כי נסקרו נהלי הבטיחות בעבודה עם לייזרים וכי הושג ציוד הבטיחות המתאים לפני תחילת העבודה. על כל נסיינ ללבוש משקפי מגן מתאימים.תלו וגונות בטיחות ללייזר. כדי לבודד את ניסוי הלייזר, השתמשו בנורת אזהרה כדי להתריע לאחרים כאשר הלייזר פועל. כשלב ראשון, קבעו עדשה מתאימה למצלמה, עדשת מיקרוסקופ למרחקים ארוכים עבור מערך זה.בנוסף, קבעו את קצב הפריימים של המצלמה ואת השהיית הזמן בהתאם להנחיות מעשיות עבור סימטריה של תמונת חלקיקים (particle image V symmetry). בסרטון זה ייחקר זרימה בקרבת פני השטח של לוחית. קצב הפריימים והשהיית הזמן מבוססים על הערכות של מהירויות זרימה באזור הסמוך לדופן.ודאו שהלייזר נמצא במפלס ושאופטיקת עיצוב האלומה במקומה. בהדגמה זו, האור נפוזר מטיפות שמן סיליקון שנוצרו. בעזרת מרסס שמן, הפעילו את הזרימה וכוונות את צפיפות ההשקעה באמצעות נחיר המרסס ושסתומי העקיפה במרסס.התחילו באופטימיזציה על ידי וידוא כי בקר המהירות הגבוה והתוכנה מוגדרים כראוי. הגדירו את המצלמה להקלטה רציפה. הפעילו את הלייזר ואת האטומיזר.כוון את המיקרוסקופ למרחק ארוך כדי להדמות את החלקיקים בצורה ברורה. כמו כן, ודא שעוצמת תמונות החלקיקים אינה גורמת לרוויה במצלמה. לאחר השגת תמונות חלקיקים ממוקדות, כבה את מצב הרכישה הרציפה.הקליטו כמה מאות תמונות של הזרימה עם סיום התהליך, ובדקו את התמונות שהוקלטו כדי לוודא פוקוס מתאים, התבססות נכונה של החלקיקים וסחף חלקיקים של כ-שמונה פיקסלים בין התמונות. להלן דוגמה לזריעה דלילה וסחף חלקיקים של כפיקסל אחד בחלון של 32 על 32 פיקסלים, המשמשת לתיקון צפיפות זריעת החלקיקים. הגבירו או הפחיתו את מספר סילוני האטומיזטור כדי להתאים את הסחף בין התמונות.הגדילו או הקטינו את מרווח הזמן בין פולסי הלייזר. דוגמה זו קרובה לאידיאלית, עם שמונה עד 10 חלקיקים לכל חלון בדיקה של 32 על 32 פיקסלים, והחלקיקים זזים פחות משמונה פיקסלים. אם קשה לעקוב אחר קבוצות של חלקיקים לאורך סדרת תמונות, כפי שקורה בתמונות אלו, ייתכן שישנה תנועה מוגברת מחוץ למישור.כוון את היסט המצלמה מנקודת המוקד או הגדל את מרחק העבודה שלה ממישור האור כדי לפצות על תנועה מוגברת מחוץ למישור. לבסוף, לאחר ביצוע כל הכיוונים מחדש, הקלט מספר מאות תמונות ובדוק את החלקיקים. כוון את צפיפות הדגימה ואת המיקוד.חזרו על הכוילונים עד להשגת הקריטריונים. לפני כל הרצה של הניסוי, בצעו כיול עוצמת מצלמה כאשר המכסה סגור על מכלול המצלמה כדי לקבוע רפרנס לעוצמה. לאחר סיום הכיול, הסירו את המכסה.כוון את הלייזר לקצב החזרות ולזרם שנקבעו כמיסימיים. לפני העברת הלייזר למצב חיצוני (external mode), ודא שהלייזר מקבל אות טריגר רציף התואם לתדר שנקבע. העבר את הלייזר למצב הקלטה.סדרה של תמונות רקע של גיליש האור בלבד, כאשר הוא שורק על פני השטח של הפלטה. אין פיזור רקע משמעותי ולכן רוב התמונות כהות. שמרו תמונות אלו לעיבוד מאוחר יותר.כעת הפעילו את הזרימה והמתינו להתייצבותה כאשר המצלמה מוגדרת לרכישה רציפה של תמונות, וודאו כי נרכשות תמונות ממוקדות של החלקיקים. לאחר מכן, כבו את מצב הרכישה הרציפה. עבור כל הרצה, הזינו את מספר התמונות הרצוי לאיסוף.לאחר מכן לחצו על כפתור ההקלטה (record). עם סיום ההקלטה, כבו את הזרימה ואת הלייזר. סקרו את רצף התמונות כדי לבדוק את הסחיפה של החלקיקים, את צפיפות ההשבפה ואת המיקוד של תמונות החלקיקים.אם התוצאה משביעה רצון, שמרו את ההקלטה. בצעו מספר הרצות ככל שיידרש כדי להבטיח הגדרה נכונה או לצורך סטטיסטיקה. בכל פעם שסדרת המצלמה או המיקוד משתנים, צלמו תמונות שיסייעו בקביעת מיקום השטח בניתוח מאוחר יותר.ראשית, הגדילו את זמן החשיפה של המצלמה. לאחר מכן, הניחו מטרת כיול במישור גילי האור (light sheet plane) וודאו שהיא באה במגע עם הפלטה. האירו את המטרה מאחור באמצעות מקור אור בזמן שהמצלמה מקליטה תמונות באופן רציף.כווננו את המטרה כך שהתמונה המוקלטת תהיה ממוקדת וללא עיוותים. ודאו כי נקודת המגע בין הפלטה למטרה נראית בתמונה. דבר זה חיוני לקביעת מיקום הפלטה ברשומת התמונה. הקליטו 10 תמונות של מטרה הכיול. עיבוד הנתונים מבוצע בתוכנה.ראשית, בצעו מיצוע לכל קבוצה של 10 תמונות כיול. השתמשו בתמונת הממוצע שהתקבלה בדיאלוג הכיול של תמונות המטרה. פעולה זו תקבע את הממדים האמיתיים של התמונות שנרכשו.החיל את כל תמונת כיול על קבוצת התמונות המתאימה לה. קבע את מיקום הפלטה בתמונות המכויילות. לאחר מכן, חשב את הממוצע של תמונות הרקע.השוו את ספירות העוצמה של תמונת הרקע הממוצעת לאלו של החלקיקים השוקעים כדי לקבוע אם השתקפות לייזר מהמשטח תורמת באופן משמעותי לרעש הרקע. בניסוי זה, ההשתקפויות לא תרמו באופן משמעותי לרקע. בצעו עיבוד מקדימה של תמונות הזרימה המכויילות באמצעות מסנן מעביר גבוה (high pass filter) כדי להסיר תנודות עוצמה גדולות ברקע; במקרה זה, פעולה זו לא תשפיע על אותות החלקיקים.כעת הגדירו אזור שבו יתבצע ניתוח האסימטריה עבור תמונת החלקיק בתוכנה זו, לצורך כך נעשה שימוש במסכה גאומטרית. לאחר מכן, בחרו פרוצדורה לחישוב הווקטורים. האפשרות בתוכנה מבצעת שני מעברים ראשוניים עם חלונות בדיקה ריבועיים של 64 על 64 פיקסלים עם חפיפה של 50%.לאחר מכן מבוצעים שלושה מעברים באמצעות חלונות בחינה ריבועיים של 32 על 32 פיקסלים עם חפיפה של 50% בתוכנה. יש להפעיל תתי-שגרות להסרת וקטורי מהירות שאינם עומדים בקריטריונים שנקבעו כדי להבטיח את איכות תוצאות המתאם הצולב (cross correlation). נתונים לדוגמה אלו מראים באדום את שדה וקטורי המהירות סמוך לפני השטח של פלטה כפונקציה של המרחק לאורך הפני השטח והגובה מעליהם.מיד לאחר החישוב. ראשית, יש להחיל תת-שגרה להגדרה מחדש של אזור הניתוח; תת-השגרה קובעת תחילה את יחס הפיקים, המשווה את פיקי המתאם הגבוהים ביותר למתאם השכיח. וקטורי רקע עם יחסי פיקים הקרובים לאחד מעידים על פיק כוזב ומוסרים, דבר הבא לידי ביטוי כאן בתיבות הלבנות ובחצים החסרים.לאחר מכן, השגרה פוסלת וקטורים שיש להם רכיב שאינו נמצא בטווח של סטיית שורש ממוצע אחת מהחציון עבור אותו רכיב, כפי שחושב מקבוצת משנה של וקטורים; השגרה מסירה גם וקטורים שגויים הנובעים מחפיפה גדולה בחישוב וקטור המהירות. כשלב אחרון, השגרה ממלאת חללים ריקים בשדה באמצעות אינטרפולציה בין וקטורים שכנים שאינם אפס. וקטורים אלו מוצגים בצבע מגנטה.כשלב סופי, העריכו את איכות התוצאות; זרימת התוצאות ליד פני השטח של לוח שטוח נמדדה, ונתונים על שדות המהירות הרגעית ושדות מהירות התנודה התקבלו בגרף זה. תת-קבוצה של שדה המהירות הרגעית בזמן T השווה ל-0.1 milliseconds מוצגת משמאל, ושדה מהירות התנודה מוצג מימין. שימו לב לווקטורים המשמשים לקנה מידה בחלק השמאלי העליון של כל גרף; במועד מאוחר יותר, בשלב אמצעי של רצף ההקלטה, שדה המהירות הרגעית משמאל נותר יציב, אך שדה התנודה השתנה באופן דרמטי.גודל הווקטורים פחת, והאחידות בכיוון פחותה לקראת סוף רצף ההקלטה. שדה המהירות הרגעית עדיין מראה את הכיוון הכללי של הזרימה משמאל לימין. שדה התנודות שינה את כיוונו.איור זה מציג את פרופיל המהירות האופקית בזמנים שונים במהלך הזרימה. פסי השגיאה המוצגים בפרופיל עבור T שווה ל-0.1 milliseconds מייצגים את פסי השגיאה עבור כל שאר הזמנים. שימו לב כי היסטוריית הזמן מראה ירידה בזרימה לאורך זמן.הפרופיל הממוצע בזמן מוצג באמצעות עיגולים. לאחר צפייה בסרטון זה, אמורה להיות לכם הבנה טובה לגבי האופן שבו ניתן לכוונן ולבצע אופטימיזציה לפרמטרי הסימטריה של תמונת החלקיקים כדי להתאים את הפרוצדורה לכל חקירת זרימה. זכרו כי עבודה עם לייזרים עלולה להיות מסוכנת ביותר, ויש לנקוט תמיד באמצעי זהירות, כגון הרכבת משקפי מגן והצבת שלטי אזהרה כדי להתרעות אחרים, בעת ביצוע פרוצדורה זו.

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

Research

JoVE Journal

Engineering

הנדסה

פרוטוקול זה מספק הוראות על אופן השימוש מנגנון עצמאי velocimetry מתחת למים (SCUVA), אשר מיועד כימות של בעלי חיים שנוצר זורם באתרה. בנוסף, פרוטוקול זה כתובות האתגרים שמציב בתנאי שדה, וכולל תנועה המפעיל, עמדה בחיזוי של בעלי חיים, והכיוון של SCUVA.

ולמדוד באופן כמותי באתרו תזרימי באמצעות מנגנון עצמאי velocimetry תת (SCUVA)

Velocimetry מערכת הד חלקיק תמונה (EPIV) מסוגלת לרכוש שדות דו ממדים של מהירות בנוזלים אופטיים אטומים או באמצעות גיאומטריות אופטיות אטומות מתוארת, ומדידות אימות בזרימת צינור מדווחות.

הד Velocimetry תמונת חלקיקים

טכניקה לביצוע הדמיה כמותית תלת ממדי (3D) עבור מגוון של זורם נוזל מוצגת. שימוש במושגים מתחום הדמית שדה אור, אנו משחזרים כרכי 3D ממערכים של תמונות. התוצאות שלנו 3D להקיף מגוון רחב הכוללים שדות מהירות והפצות גודל בועות רבות שלבים.

קביעת שדות זרימה 3D באמצעות מצלמה מרובה אור תחום הדמיה

velocimetry תמונת מיקרו חלקיקים (μPIV) משמש כדי לחזות תמונות לזווג של חלקיקי מיקרו נזרעו בזורם דם אשר חוצה קורלציה לתת פרופיל מהירות מדויקת. שיעור גזירה, מהירות המרבית, צורת פרופיל מהירות, וקצב זרימה, כל אחד מהם יש יישומים קליניים, ניתן לגזור ממדידות אלה.

Velocimetry תמונת מיקרו חלקיקים למדידות בפרופיל מהירות של מיקרו זורם דם

מתוארים שני מכשירים ניסיוניים לבחינת פגיעה בסילון נוזלי על משטח נע במהירות גבוהה: מכשיר תותח אוויר והתקן דיסק מסתובב. המכשירים משמשים לקביעת גישות אופטימליות ליישום משנה חיכוך נוזלי (LFM) על פסי רכבת לבקרת חיכוך על גבי המסילה.

ויזואליזציה של High Speed ​​Liquid Jet Impaction על משטח העברה

Velocimetry מעקב חלקיקים תלת ממדי (3D-PTV) מערכת המבוססת על מצלמה במהירות גבוהה עם מפצל ארבעה-נוף מתוארת כאן. הטכניקה מוחלת על זרימת סילון מצינור עגול בקרבת עשר בקטרים ​​במורד בבית מספר ריינולדס Re 7,000 ≈.

תלת ממד חלקיקי מעקב velocimetry עבור יישומי Turbulence: מקרה של Jet Flow

שתי שיטות שונות עבור אפיון של חלקיק התחלתית של חרוז אחד כפונקציה של הגיאומטריה מיטה משקעים מן למינריות לזרימה מערבולות מוצגים.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

בטכניקה המתוארת במסמך זה מציע שיטה זולה ופשוטה יחסית למדוד בו זמנית קינמטיקה של חלקיקים, מערבולת, זורם עם ריכוז נמוך של חלקיקים. המערבולות נמדד באמצעות חלקיקים תמונה velocimetry (PIV), קינמטיקה של חלקיקים מחושבים מתוך תמונות שהושג עם מצלמה במהירות גבוהה ב- חופפים שדה-של-view.

מדידה סימולטני של מערבולת, קינמטיקה של חלקיקים באמצעות זרימת טכניקות הדמיה

כאן אנו מציגים שיטות מפושטת בדיית שקוף נוירו-וסקולריים פאנטום ואפיון הזרימה בו. עלינו להדגיש מספר פרמטרים חשובים, להדגים את הקשר שדה דיוק.

Meso-גודל החלקיקים תמונה Velocimetry מחקרים של נוירו-וסקולריים זורם במבחנה

הפרוטוקול הנוכחי מתאר מדידות velocimetry תמונת חלקיקים (PIV) שבוצעו כדי לחקור את זרימת הסינוסים באמצעות ההתקנה במבחנה של שסתום אבי העורקים transcatheter (TAV). הפרמטרים המודינמיים המבוססים על מהירות נקבעים גם הם.

תמונת חלקיקים Velocimetry חקירה של המודינמיקה באמצעות פנטום אבי העורקים

למד כיצד להגדיר ולהפעיל ניסוי velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים. שיטה זו מאפשרת ניתוח זרימה לא פולשני ורב-ממדי בדינמיקת נוזלים.

Velocimetry תמונת חלקיקים במהירות גבוהה ליד משטחים

גלה סרטונים נוספים