Velocimetrie de imagine a particulelor
Velocimetria imaginii particulelor (prescurtată ca PIV) este o metodă optică de măsurare a câmpului de mișcare al unui fluid . Oferă, într-o secțiune dată a fluxului, proiecția câmpului vectorului de viteză instantanee pe secțiunea însăși.
Procedură
Debitul este însămânțat cu particule de urmărire („ însămânțare” ) cu o densitate cât mai apropiată de cea a fluidului de studiat, pentru a-i urmări mișcarea cât mai atent posibil. În acest moment, secțiunea care trebuie examinată este iluminată cu două impulsuri consecutive și aproape de lumină laser , transformate de un aparat optic în lame de lumină. Particulele refractează lumina, care este capturată de o cameră cu ajutorul unui sincronizator. Astfel, două imagini ale poziției particulelor sunt obținute în două momente diferite, apropiate una de cealaltă. Prin compararea celor două imagini, se obține câmpul vectorului de deplasare al particulelor pe planul lamei ușoare. Presupunând că ați ales corect însămânțarea , particulele vor fi urmat mișcarea fluidului, astfel împărțind deplasarea la intervalul de timp Δt care se scurge între detectarea primei și celei de-a doua imagini, se obține câmpul vitezei de curgere, care va cu cât este mai aproape de viteza instantanee, cu atât smallert este mai mic.
Dificultate
Principalele probleme se referă la concentrația de însămânțare , non-bidimensionalitatea câmpului de curgere și alegerea intervalului de timp.
Dacă concentrația este scăzută, de fapt, deși este ușor de urmărit particulele dintre cele două imagini, nu se obține o descriere exhaustivă a câmpului de curgere: vor exista prea puține puncte în care viteza este cunoscută. Dacă, pe de altă parte, concentrația este mare, este dificil de identificat particulele din imagini, chiar și cu ajutorul software-ului. În orice caz, cu o concentrație medie, nu este posibil să urmăriți particulele cu ochiul liber, astfel încât pentru a obține deplasarea imaginile sunt împărțite în ferestre mai mici, numite „ferestre de interogare”, atât cât sunt puncte în care doresc să cunoască viteza, și este procesat cu autocorelație sau intercorelație algoritmi.
În cazul în care o componentă a vitezei este neglijabilă în direcția ortogonală a planului laser, PIV nu înregistrează această componentă și, pe lângă problemele de paralaxă care distorsionează viteza înregistrată, unele particule, în timpul dintre cele două imagini, acestea puteau scăpa din zona subțire iluminată de laser.
În acest sens, alegerea intervalului de timp este decisivă: dacă este prea lungă, probabilitatea este mare ca particulele să iasă din laser și, prin urmare, să nu fie capturate în a doua imagine. Mai mult, chiar și în cazul fluxului bidimensional, dacă intervalul este prea lung, există o pierdere de informații între cele două imagini, iar viteza obținută este o viteză medie care nu mai este comparabilă cu viteza instantanee. Pe de altă parte, dacă intervalul este excesiv de scurt, deplasarea este prea mică și perturbările datorate „zgomotului” și corelației imperfecte dintre perechile de ferestre devin preponderente față de deplasarea reală în sine, ca efect, există este un câmp de viteză care nu se potrivește cu cel real. Valoarea lui Δt este de ordinul lui ∼10 µs.
Măsurători tridimensionale
Există, de asemenea, metode derivate direct din PIV care permit măsurarea tuturor celor trei componente ale câmpului de viteză. Principalele sunt PIV stereoscopic (sau PIV stereo sau SPIV) și PIV tomografic (sau volumul PIV).
PIV-ul stereo funcționează întotdeauna pe un plan prestabilit, care este cel al lamei de lumină, la fel ca PIV-ul simplu. Pentru a reconstrui vectorul vitezei de curgere pe plan într-un mod tridimensional, această tehnică folosește același principiu folosit de ochii noștri pentru a percepe adâncimea la care se află obiectele: sunt realizate două perechi de imagini cu două camere distanțate și / sau înclinate una față de cealaltă, având astfel disponibile două proiecții ale unui vector cu trei componente pe două planuri distincte, adică planurile de imagine ale celor două camere. Prin aplicarea algoritmilor de reconstrucție geometrică putem urmări viteza tridimensională. Principalele probleme, pe lângă cele ale PIV-ului simplu, apar din motive de perspectivă și se referă la procesarea imaginilor captate de camere pentru a putea obține imagini pe care se poate aplica reconstrucția geometrică.
Volumul PIV, pe de altă parte, funcționează pe un volum și măsoară cele trei componente ale vectorului viteză în întregul volum luat în considerare. Această tehnică se bazează pe același principiu ca și PIV-ul simplu, oricum mărit la 3 dimensiuni. Întregul volum este iluminat cu două impulsuri laser cu întârziere scurtă și deplasarea particulelor este măsurată cu orice număr de camere. În acest caz, apar mari dificultăți în localizarea unică a particulelor, deoarece, necunoscând poziția lor în direcția ortogonală față de planul imaginii fiecărei camere, proiecțiile numeroaselor particule se pot suprapune. O consecință tipică este generarea de „particule fantomă”, inexistente în realitate, dar recreată de software-ul pentru reconstrucția particulelor tocmai din această cauză.
Alte proiecte
-
Wikimedia Commons conține imagini sau alte fișiere despre Velocimetria imaginii particulelor
