Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Краситель в жидкости может помочь осветить пути движения жидкости. Это самый простой пример Velocimetry.

Velocimetry является измерение скорости в жидкости . Это задача, которую часто принимают как должное, и она включает в себя гораздо более сложные процессы, чем можно было бы ожидать. Он часто используется для решения задач гидродинамики , исследования жидкостных сетей, в промышленных приложениях и приложениях для управления технологическими процессами , а также при создании новых типов датчиков расхода жидкости . Методы велосиметрии включают в себя велосиметрию изображения частиц и велосиметрию с отслеживанием частиц , велосиметрию с молекулярным мечением , лазерную интерферометрию , ультразвуковые методы Доплера, датчики Доплера и новыеметодики обработки сигналов .

Как правило, измерения скорости производятся в лагранжевых или эйлеровых системах отсчета (см. Лагранжевые и эйлеровые координаты ). Лагранжевые методы присваивают скорость объему жидкости в данный момент времени, тогда как методы Эйлера присваивают скорость объему области измерения в данный момент времени. Классическим примером такого различия является измерение скорости движения частиц, идея которой состоит в том, чтобы найти скорость отдельных частиц-индикаторов потока (лагранжиан), и велосиметрия изображения частицы, цель которой состоит в том, чтобы найти среднюю скорость в подобласти поля взгляд (эйлеров). [1]

История [ править ]

Велосиметрию можно проследить еще во времена Леонардо да Винчи , который перемещал семена травы в поток и зарисовывал результирующие траектории семян, которые он наблюдал (измерение Лагранжа). [2] В конце концов визуализация потока да Винчи была использована в его исследованиях сердечно-сосудистой системы, в попытке узнать больше о кровотоке в человеческом теле. [3]

Дым использовался как визуализатор, аналогично методике, которую популяризировал Марли.

Методы, подобные методам да Винчи, применялись почти четыреста лет из-за технологических ограничений. Еще одно примечательное исследование было проведено Феликсом Саваром в 1833 году. Используя стробоскопический инструмент, он зарисовал удары водяной струи. [3]

В конце 19 века в этих технологиях был сделан огромный прорыв, когда стало возможным фотографировать картины течения. Одним из ярких примеров этого является Людвиг Мах, использующий частицы, неразрешимые невооруженным глазом, для визуализации линий тока. [4] Другой заметный вклад был сделан в 20-м веке Жюлем Маре, который использовал фотографические техники, чтобы представить концепцию дымовой коробки. Эта модель позволяла отслеживать как направление потока, так и скорость, поскольку более близкие друг к другу линии тока указывали на более быстрый поток. [3]

Совсем недавно высокоскоростные камеры и цифровые технологии произвели революцию в этой области. с учетом возможности использования многих других методов и рендеринга полей потока в трех измерениях. [3]

Методы [ править ]

Сегодня основные идеи, заложенные да Винчи, остались прежними; поток должен быть засеян частицами, которые можно наблюдать выбранным методом. Затравочные частицы зависят от многих факторов, включая жидкость, метод измерения, размер области измерения и иногда ожидаемое ускорение потока. [5] Если поток содержит частицы, которые можно измерить естественным путем, затравка потока не требуется. [6]

Пространственная реконструкция трубок потока жидкости с использованием визуализации трассера с длительной экспозицией может быть применена для велосиметрии с визуализацией линий обтекания, а также для измерения скорости стационарных потоков без частоты кадров с высоким разрешением. [7] Временная интеграция велосиметрической информации может использоваться для суммирования расхода жидкости. Для измерения скорости и длины движущихся поверхностей используются лазерные измерители скорости на поверхности . [8]

Векторное поле, созданное PIV-анализом вихрей

Жидкость обычно ограничивает выбор частиц в соответствии с ее удельным весом; в идеале частицы должны иметь ту же плотность, что и жидкость. Это особенно важно для потоков с большим ускорением (например, высокоскоростной поток через колено трубы под углом 90 градусов). [9] Таким образом, более тяжелые жидкости, такие как вода и масло, очень привлекательны для велосиметрии, тогда как воздух представляет собой проблему в большинстве методов, поскольку редко можно найти частицы такой же плотности, как воздух.

Тем не менее, даже методы измерения большого поля, такие как PIV, были успешно выполнены в воздухе. [10] Частицы, используемые для затравки, могут быть как жидкими, так и твердыми частицами. Твердые частицы предпочтительны, когда необходимы высокие концентрации частиц. [9] Для точечных измерений, таких как лазерная доплеровская велосиметрия , для проведения измерения достаточно частиц нанометрового диапазона диаметров, например, в сигаретном дыме. [6]

В воде и масле можно использовать множество недорогих промышленных шариков, таких как полые стеклянные шарики с серебряным покрытием, изготовленные из проводящих порошков (диапазон диаметров десятки микрометров), или другие шарики, используемые в качестве отражателей и текстурирующих агентов в красках и покрытиях. . [11] Частицы не обязательно должны быть сферическими; во многих случаях можно использовать частицы диоксида титана. [12]

Соответствующие приложения [ править ]

PIV использовался в исследованиях по управлению авиационным шумом. Этот шум создается за счет высокоскоростного смешивания выхлопных газов с горячей струей с окружающей температурой окружающей среды. PIV использовался для моделирования этого поведения. [13]

Кроме того, допплеровская велосиметрия позволяет использовать неинвазивные методы определения того, является ли плод надлежащего размера на данном сроке беременности. [14]

Внешние ссылки [ править ]

  • Портал Velocimetry - это онлайн-центр методов диагностики лазерного потока (PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, High speed PIV, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP и т. Д.). Этот портал разрабатывается таким образом, чтобы предоставлять как можно больше информации о методах диагностики лазерного потока в консолидированной форме. Услуги включают «Основные принципы», «Приложения», «Дискуссионные форумы», «Ссылки на ссылки». Концентрированные усилия предпринимаются для объединения всех существующих и возможных приложений PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, High speed PIV, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP. Портал Velocimetry призван стать отправной точкой для всех запросов, связанных с методами диагностики лазерного потока.

Ссылки [ править ]

  1. Перейти ↑ Batchelor, GK (Джордж Кейт) (2002). Введение в гидродинамику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66396-2. OCLC  800027809 .
  2. ^ Гариб, М .; Кремерс, Д .; Koochesfahani, M .; Кемп, М. (2002). «Видение Леонардо визуализации потока». Эксперименты с жидкостями . 33 (1): 219–223. Bibcode : 2002ExFl ... 33..219G . DOI : 10.1007 / s00348-002-0478-8 . ISSN 0723-4864 . S2CID 9577969 .  
  3. ^ a b c d Фермиджье, Марк (сентябрь 2017 г.). «Использование изображений в механике жидкости» . Comptes Rendus Mécanique . 345 (9): 595–604. DOI : 10.1016 / j.crme.2017.05.015 . ISSN 1631-0721 . 
  4. ^ Раффель, Маркус; Willert, Christian E .; Уэрли, Стив Т .; Компенханс, Юрген (2007). Скорость изображения частиц . DOI : 10.1007 / 978-3-540-72308-0 . ISBN 978-3-540-72307-3.
  5. ^ Ридер, Марк Ф .; Крафтон, Джим У .; Estevadeordal, Jordi; ДеЛапп, Джозеф; МакНил, Чарльз; Пельтье, Дон; Рейнольдс, Тина (18 ноября 2009 г.). «Чистый посев для визуализации потока и велосиметрических измерений». Эксперименты с жидкостями . 48 (5): 889–900. DOI : 10.1007 / s00348-009-0784-5 . ISSN 0723-4864 . S2CID 120422467 .  
  6. ^ a b Майлз и Ричард Б .; Лемперт, Уолтер Р. (1997). «Количественная визуализация потока в незасеянных потоках». Ежегодный обзор гидромеханики . 29 (1): 285–326. Bibcode : 1997AnRFM..29..285M . DOI : 10.1146 / annurev.fluid.29.1.285 . ISSN 0066-4189 . 
  7. ^ Кейнан, Элиэзер; Ездра, Елисей; Нахмиас, Яаков (05.08.2013). «Велосиметрия изображений без частоты кадров для микрофлюидных устройств» . Письма по прикладной физике . 103 (6): 063507. Bibcode : 2013ApPhL.103f3507K . DOI : 10.1063 / 1.4818142 . ISSN 0003-6951 . PMC 3751964 . PMID 24023394 .   
  8. ^ Truax, Брюс E .; Демарест, Фрэнк С .; Соммаргрен, Гэри Э. (1983). «Лазерный доплеровский измеритель скорости для измерения скорости и длины движущихся поверхностей». Конференция по лазерам и электрооптике . Вашингтон, округ Колумбия: OSA: WN6. DOI : 10,1364 / cleo.1983.wn6 .
  9. ^ а б Меллинг, A (1997-12-01). «Трассирующие частицы и посев для велосиметрии изображений частиц». Измерительная наука и технология . 8 (12): 1406–1416. Bibcode : 1997MeScT ... 8.1406M . DOI : 10.1088 / 0957-0233 / 8/12/005 . ISSN 0957-0233 . 
  10. ^ Адриан, Рональд Дж. (1991). "Методы визуализации частиц для экспериментальной механики жидкости". Ежегодный обзор гидромеханики . 23 (1): 261–304. Bibcode : 1991AnRFM..23..261A . DOI : 10.1146 / annurev.fl.23.010191.001401 . ISSN 0066-4189 . 
  11. ^ Techet, Александра Х .; Белден, Джесси Л. (2007). «Визуализация через границу раздела мелкомасштабных разрушающихся волн». APS . 60 : GK.001. Bibcode : 2007APS..DFD.GK001T .
  12. ^ ДЖОНС, ГРЕГОРИ; ГАРТРЕЛЛ, ЛЮТЕР; КАМЕМОТО, ДЕРЕК (08.01.1990). «Исследование эффектов посева в лазерных измерителях скорости». 28-е совещание по аэрокосмическим наукам . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. Bibcode : 1990aiaa.meetV .... J . DOI : 10.2514 / 6.1990-502 .
  13. ^ «Проливая свет на загадки высокоскоростных горячих струй» . НАСА . 2019.
  14. ^ Kaponis, Апостолоса; Харада, Такаши; Макридимас, Джордж; Кияма, Томоики; Арата, Казуя; Адонакис, Джордж; Цапанос, Василис; Ивабе, Томио; Стефос, Теодорос; Декавалас, Джордж; Харада, Тасуку (2011). «Важность венозной допплеровской велоидиметрии для оценки ограничения внутриутробного развития» . Журнал ультразвука в медицине . 30 (4): 529–545. DOI : 10,7863 / jum.2011.30.4.529 . ISSN 1550-9613 . PMID 21460154 .