उच्च संकल्प, उच्च गति कण छवि velocimetry (PIV) का उपयोग कर सीमाओं के पास क्षणिक प्रवाह का अध्ययन करने के लिए एक प्रक्रिया यहाँ वर्णित है. PIV ऐसी छवि और रिकॉर्डिंग गुण, लेजर चादर गुण, और विश्लेषण एल्गोरिदम के रूप में कई पैरामीटर बाधाओं के अनुकूलन के द्वारा किसी भी ऑप्टिकली सुलभ प्रवाह को लागू एक गैर दखल देने माप तकनीक है.
बहु – आयामी और क्षणिक बहती विज्ञान, इंजीनियरिंग, और स्वास्थ्य विज्ञान के कई क्षेत्रों में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं, लेकिन अक्सर अच्छी तरह से समझ नहीं रहे हैं. इन प्रवाह की जटिल प्रकृति के कण छवि velocimetry (PIV), ऑप्टिकली सुलभ प्रवाह के लिए एक लेजर आधारित इमेजिंग तकनीक का उपयोग कर अध्ययन किया जा सकता है. PIV के कई रूपों के मूल तलीय दो घटक वेग माप क्षमताओं से परे तकनीक का विस्तार है कि मौजूद हैं, बुनियादी PIV प्रणाली एक प्रकाश स्रोत (लेजर), एक कैमरा, ट्रेसर कण, और विश्लेषण एल्गोरिदम के होते हैं. इमेजिंग और रिकॉर्डिंग मापदंडों, प्रकाश स्रोत, और एल्गोरिदम ब्याज के प्रवाह के लिए रिकॉर्डिंग का अनुकूलन और वैध वेग डेटा प्राप्त करने के लिए समायोजित कर रहे हैं.
दूसरी प्रति कुछ तख्ते पर एक विमान में आम PIV जांच उपाय के दो घटक वेग. Transi हल करने में सक्षम हालांकि, इंस्ट्रूमेंटेशन में हाल के घटनाक्रम में मदद की है उच्च फ्रेम दर (> 1 किलो हर्ट्ज) मापनईएनटी उच्च अस्थायी समाधान के साथ बहती है. इसलिए, उच्च फ्रेम दर माप अत्यधिक क्षणिक प्रवाह की संरचना और गतिशीलता के विकास पर सक्षम जांच है. ये जांच जटिल प्रवाह की मूलभूत भौतिक विज्ञान को समझने में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं.
एक फ्लैट प्लेट की सतह के पास एक क्षणिक प्रवाह का अध्ययन करने के लिए उच्च संकल्प, उच्च गति तलीय PIV प्रदर्शन करने के लिए एक विस्तृत वर्णन यहां प्रस्तुत किया है. ऐसी छवि और रिकॉर्डिंग गुण, लेजर चादर गुण के रूप में पैरामीटर की कमी का समायोजन, और ब्याज की किसी भी प्रवाह के लिए PIV अनुकूल करने के लिए एल्गोरिदम प्रसंस्करण के लिए विवरण शामिल हैं.
बहु आयामी वेग के मापन और समय में प्रवाह क्षेत्र ट्रैक करने की क्षमता विज्ञान, इंजीनियरिंग, और स्वास्थ्य विज्ञान के कई क्षेत्रों में महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करते हैं. प्रवाह इमेजिंग के लिए सबसे व्यापक रूप से इस्तेमाल की तकनीक के बीच कण छवि velocimetry (PIV) है. प्रारंभ में वेग घटकों विमान में दो की मापी फोटो, PIV वेरिएंट तीन घटक और बड़ा माप क्षमताओं को प्रदान करने के लिए विकसित किया गया है कि एक तलीय तकनीक के रूप में स्थापित किया. सभी PIV सिस्टम ट्रेसर कण, एक या एक से अधिक प्रकाश स्रोतों, और एक या एक से अधिक कैमरों से मिलकर बनता है. ठोस कणों या बूंदों आमतौर ट्रेसर कणों के रूप में उपयोग किया जाता है लेकिन प्रवाह में निहित बुलबुले भी ट्रेसर कणों के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है. कैमरा (ओं) तो छवि (ओं) बिखरे हुए या वे प्रकाश स्रोत (ओं) द्वारा विकिरणित हैं के बाद ट्रेसर कण से प्रकाश उत्सर्जित. विविधताओं 1,2 की व्यापक रेंज के बीच सबसे आम एक एक चूहे पर एक विमान में दो वेग घटक कब्जादूसरी प्रति कुछ फ्रेम के ए. अभी हाल ही में नए उपकरण किलोहर्ट्ज़ रेंज में अशांत समय के तराजू पर प्रवाह का पालन करें कि उच्च फ्रेम दर माप (> 1 किलो हर्ट्ज) सक्षम है.
PIV एक में जाना समय की देरी से अलग होती है कि छवियों की एक जोड़ी से कण समूहों की औसत गति पर नज़र रखने के द्वारा एक वेग क्षेत्र को निर्धारित करता है. प्रत्येक छवि नियमित अंतराल पर पूछताछ खिड़कियों की एक ग्रिड में विभाजित है. सबसे आम पूछताछ खिड़की आकार 32 x 32 पिक्सल है. एक एल्गोरिथ्म पूछताछ खिड़की प्रति एक विस्थापन वेक्टर, जिसके परिणामस्वरूप सभी पूछताछ खिड़कियों के लिए पार से संबंध समारोह गणना करता है और इसलिए वैक्टर की एक नियमित ग्रिड पैदा करता है. समय की देरी से विस्थापन वेक्टर क्षेत्र डिवाइडिंग तब वेग वेक्टर क्षेत्र को निर्धारित करता है.
PIV माप की योजना बना जब यह आम तौर पर प्रयोगात्मक सेटिंग्स के चुनाव परस्पर विरोधी आवश्यकताओं के बीच एक समझौता है कि एहसास करने के लिए महत्वपूर्ण है. दूसरे शब्दों में, अनुभवमानसिक शर्तों को ध्यान से हाथ में अध्ययन के लिए महत्वपूर्ण हैं कि प्रवाह के पहलुओं पर कब्जा करने की योजना बनाई जाने की जरूरत है. Raffel एट अल. 1 और एड्रियन और Westerweel 2 द्वारा पुस्तकें इन बाधाओं के उत्कृष्ट में गहराई से विचार विमर्श प्रदान करते हैं. यहाँ हम वर्तमान संदर्भ में सबसे महत्वपूर्ण हैं कि कई पर प्रकाश डाला.
क्षेत्र के दृश्य (FOV) के चुनाव को यहां पैरामीटर चयन के लिए शुरुआती बिंदु की स्थापना की जाएगी. कैमरा चिप पर पिक्सल की संख्या तो एक बार पार से संबंध प्रक्रिया के दौरान एक 50% ओवरलैप के साथ 32 x 32 पिक्सल, की पूछताछ खिड़की के आकार का उपयोग करने के लिए चुनता यह सोचते हैं कि स्थानिक संकल्प और प्राप्त कर रहे हैं कि वैक्टर की संख्या निर्धारित करता है. पूछताछ खिड़की प्रति 8-10 कणों की एक बोने घनत्व आम तौर पार से संबंध समारोह में सहायता करने के लिए वांछित है. हालांकि, इस तरह के कण ट्रैकिंग velocimetry (पीटीवी) है और यह समय औसतन सहसंबंध दृष्टिकोण के रूप में विशेष एल्गोरिदम, वहाँ रहे हैं कि हो सकता हैसतहों के पास इमेजिंग के साथ मामला है कम बोने घनत्व (1-3 कणों / पूछताछ खिड़की) के साथ स्थितियों का समाधान करने के लिए इस्तेमाल किया जाएगा. प्रत्येक पूछताछ खिड़की के भीतर वेग ढ़ाल कि खिड़की के परिणामस्वरूप प्रतिनिधि वेक्टर में एक पूर्वाग्रह से बचने के लिए छोटा होना चाहिए ध्यान दें.
एक स्थापित नियम के अंगूठे के पहले और दूसरे फ्रेम के बीच कण विस्थापन बाँधना नुकसान (पहले से पूछताछ खिड़की के भीतर कण छवियों के नुकसान की संख्या को कम करने के लिए 8 पिक्सल (¼ पूछताछ खिड़की के आकार के) से अधिक नहीं होना चाहिए संबंध के लिए) दूसरे फ्रेम करने के लिए फ्रेम. नतीजतन, लगातार दो लेजर दालों (डीटी) के बीच के समय के अनुसार समायोजित किया जाना है. कम अंत संकल्प सीमा 0.1 पिक्सेल विस्थापन के आदेश पर है क्योंकि हालांकि, 8 पिक्सेल विस्थापन के बराबर नीचे डीटी को कम वेग गतिशील रेंज कम हो जाएगा.
8 पिक्सेल विस्थापन डब्ल्यू करने के लिए इसी तरह केइमेजिंग विमान ithin, उच्चतम वेग कणों बाँधना घाटे की संख्या को कम करने के लिए फिर से, प्रकाश चादर मोटाई के एक चौथाई से अधिक पार नहीं करना चाहिए. दो लेजर दालों के बीच के समय में देरी प्रकाश चादर विमान के भीतर सबसे अच्छा सहसंबंध सुनिश्चित करने के लिए प्रयोग किया जाता है, चादर की मोटाई इस संदर्भ में एक चर है. प्रकाश की तीव्रता की एकरूपता यह ऐसी तलीय लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति इमेजिंग 3, एक के पास शीर्ष टोपी बीम प्रोफाइल के रूप में तीव्रता आधारित मापन के लिए है के रूप में महत्वपूर्ण नहीं है, विशेष रूप से उच्च संकल्प इमेजिंग के लिए, PIV गुणवत्ता में मदद करता है.
सामान्य में, अध्ययन के तहत प्रवाह की प्रकृति के बारे में कुछ मान्यताओं प्रयोगात्मक मापदंडों के चयन में एक प्रारंभिक बिंदु के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है. फिर, खोजपूर्ण प्रयोगों सेटिंग्स को निखारने की जरूरत हो सकती है.
यहाँ हम दो वेग घटक की उच्च फ्रेम दर इमेजिंग माप की अनुमति देता है कि एक PIV प्रयोग कैसे स्थापित करने का वर्णनसीमा परत संरचनाओं को हल करने के लिए पर्याप्त है कि स्थानिक संकल्प के साथ एनटीएस. यह एक उच्च पुनरावृत्ति दर के उपयोग के साथ पूरा किया है मंदिर 00 डायोड पंप ठोस राज्य लेजर, एक लंबी दूरी की माइक्रोस्कोप, और एक उच्च फ्रेम दर CMOS कैमरा. सतहों के पास इमेजिंग पर कुछ विवरण भी शामिल किए गए हैं.
किसी भी ऑप्टिकल प्रवाह माप तकनीक के साथ के रूप में, उच्च गति कण छवि velocimetry (PIV) की स्थापना की योजना बना रही बाधाओं का आकलन और हाथ में माप कार्य के लिए सबसे अच्छा समझौता के मूल्यांकन की आवश्यकता है. छवि बढ़ाई, फ्रेम दर, लेजर चादर गुण, और विश्लेषण एल्गोरिदम का चयन अध्ययन के तहत प्रवाह के विवरण पर निर्भर करते हैं. यदि जरूरत हो, खोजपूर्ण माप उच्च निष्ठा के मापन के लिए पैरामीटर सेटिंग्स की पहचान करने के लिए आयोजित किया जाना चाहिए.
यह लेख सामान्य प्रक्रिया है और एक फ्लैट प्लेट के साथ एक प्रवाह की सीमा परत का अध्ययन करने के लिए उच्च गति PIV के लिए कुछ नमूने के परिणाम का वर्णन करता है. 500 छवियों का एक अनुक्रम 5 kHz पर दर्ज की गई थी. एक लंबी दूरी की खुर्दबीन थाली सतह पर स्थित एक 2.4 x 1.8 मिमी 2 क्षेत्र का दृश्य प्राप्त करने के लिए इस्तेमाल किया गया था. बीज के तेल की बूंदों की उच्च गुणवत्ता रोशनी एक प्रकाश श में विस्तार किया गया था कि एक स्पंदित डायोड पंप ठोस राज्य लेजर से एक किरण के साथ हासिल की थीEET एक किरण homogenizer का उपयोग कर. किरण homogenizer छोटे बेलनाकार लेंस और एक अतिरिक्त, एकीकृत दूरबीन से बना एक माइक्रो लेंस सरणी शामिल हैं. माइक्रो लेंस सरणी beamlets में बंटवारे आने वाली किरण द्वारा खड़ी दिशा में परिपत्र बीम फैलता है. फिर निम्नलिखित दूरबीन बीम प्रचार करने के लिए सामान्य प्रकाश चादर विमान में एक भी प्रकाश तीव्रता वितरण के साथ एक हल्के चादर बनाने के लिए beamlets superimposes. छवियाँ एक PIV पार सहसंबंध एल्गोरिथ्म का उपयोग संसाधित किया गया. यह एक homogenized किरण सतहों के पास काम कर रहा है, खासकर जब उपयोगी है, लेकिन यह यहाँ वर्णित आवेदन के लिए महत्वपूर्ण नहीं है कि ध्यान दिया जाना चाहिए.
इस प्रक्रिया में उल्लिखित विधि मजबूत सहसंबंध एल्गोरिदम का उपयोग कर प्रवाह की दखलंदाजी से उच्च संकल्प, उच्च गति की जांच के लिए सक्षम बनाता है. इस उच्च संकल्प, उच्च गति माप तकनीक का मुख्य लाभ उच्च स्थानिक और अस्थायी समाधान और पहचान और ट्रैक करने की क्षमता हैंप्रवाह के भीतर संरचनाओं का विकास. Alharbi 6 और Jainski एट अल, इन तकनीकों का उपयोग करना. 8 एक आंतरिक दहन इंजन की सीमा परत के भीतर भंवर संरचनाओं कल्पना और ट्रैक करने की क्षमता का प्रदर्शन किया है. इन प्रमुख विशेषताओं अत्यधिक क्षणिक प्रवाह की संरचना और गतिशीलता पर जांच सक्षम. इसके अलावा, PIV (tomographic PIV एक विमान (स्टीरियो PIV) में और एक मात्रा में 3 घटकों (3 सी) को हल करने के लिए दो आयामी, दो घटक (2 डी -2) वेग क्षेत्रों (यहाँ के रूप में वर्णित है) से परे का विस्तार किया जा सकता है , PIV, होलोग्राफिक PIV) स्कैनिंग. इसके अतिरिक्त, PIV ऐसे तलीय लेजर प्रेरित प्रतिदीप्ति (PLIF), फ़िल्टर रेले बिखरने (FRS), और वेग और अन्य scalars (तापमान, प्रजातियों एकाग्रता, तुल्यता अनुपात) 11 के एक साथ 2 डी माप प्राप्त करने के लिए thermographic phosphors के रूप में अन्य तकनीकों के साथ लागू किया जा सकता है -14. इन ऑप्टिकल, लेजर आधारित विधियों सीधे जन की जांच करने के लिए लागू किया जा सकताइस तरह के पास की दीवार के रूप में कई अनुप्रयोगों में ऊर्जा विनिमय प्रक्रियाओं एक आंतरिक दहन इंजन में बहती है.
The authors have nothing to disclose.
इस सामग्री को अनुदान सं CBET-1032930 के तहत अमेरिका के राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा समर्थित काम पर आधारित है और मिशिगन मात्रात्मक लेजर निदान प्रयोगशाला के विश्वविद्यालय में प्रदर्शन किया काम करते हैं.
Name of Equipment | Company | Model | Comments |
High-speed 532 nm Nd:YAG laser | Quantronix | Model: Hawk I | |
Long distance microscope (QM-100) | Questar | Model: QM-100 | |
High-speed CMOS camera (Phantom v7.3) | Vision Research | Model: Phantom v7.3 | |
Atomizer (TSI 9306) | TSI | Model: 9306 | |
Silicone oil | Dow Corning CST 510 | CST 510 Fluid | |
Beam homogenizer | Fraunhofer | Custom made part | |
45° high-reflectivity (HR) 532 nm turning mirror | Laser Optik | Multiple suppliers | |
Aperture | Multiple suppliers | ||
Calibration target | Custom made part | ||
PIV recording and processing software | LaVision | Software: Da Vis | |
High-speed controller (HSC) | LaVision | ||
Optical rail and carriers | Multiple suppliers | ||
Laser beam blocks and traps | Multiple suppliers | ||
Mounts for optical elements | Multiple suppliers | ||
Translation stage | Newport | ||
Metal tubing to create jet flow | McMaster-Carr | Multiple suppliers | |
Combination square and centering square | Multiple suppliers |