Измерение скорости частиц

Велосиметрия с отслеживанием частиц ( PTV ) — это метод велосиметрии , т.е. метод измерения скоростей и траекторий движущихся объектов. В исследовании механики жидкости эти объекты представляют собой нейтрально плавучие частицы , которые взвешены в потоке жидкости. Как следует из названия, отслеживаются отдельные частицы, поэтому этот метод представляет собой лагранжев подход, в отличие от велосиметрии с изображением частиц (PIV), которая является эйлеровым методом, измеряющим скорость жидкости при прохождении ею точки наблюдения, которая зафиксирована в пространстве. Существует два экспериментальных метода PTV:

• двумерный (2-D) PTV. Измерения производятся в 2-D срезе, освещенном тонким лазерным листом (тонкой плоскостью); низкая плотность засеянных частиц позволяет отслеживать каждую из них индивидуально в течение нескольких кадров.
• трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц (3-D PTV) — это отличительная экспериментальная техника, изначально разработанная для изучения полностью турбулентных потоков. В настоящее время она широко используется в различных дисциплинах, от исследований в области структурной механики до медицины и промышленных сред. Она основана на системе из нескольких камер в стереоскопическом расположении, трехмерном освещении объема наблюдения, регистрации временной последовательности стереоскопических изображений оптических целей (трассеры потока освещали частицы), определении их мгновенного трехмерного положения в пространстве с использованием фотограмметрических методов и отслеживании их движения во времени, таким образом получая набор трехмерных траекторий оптических целей. Трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц с временным разрешением известна как 4D-PTV.

Трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц (PTV) относится к классу методов велосиметрии всего поля, используемых при изучении турбулентных потоков, позволяя определять мгновенные распределения скорости и завихренности по двум или трем пространственным измерениям. Трехмерная PTV дает временной ряд мгновенных 3-компонентных векторов скорости в виде траекторий элементов жидкости. В любой момент времени плотность данных может легко превышать 10 векторов скорости на кубический сантиметр. Метод основан на стереоскопической визуализации (с использованием 2–4 камер) и синхронной регистрации движения трассеров потока, т. е. мелких частиц, взвешенных в потоке, освещенных стробирующим источником света. Затем трехмерные координаты частиц как функция времени выводятся с использованием анализа изображений и фотограмметрического анализа каждого стереоскопического набора кадров. Трехмерные положения частиц отслеживаются во временной области для получения траекторий частиц. Возможность отслеживать (отслеживать) пространственно плотный набор отдельных частиц в течение достаточно длительного периода времени и проводить статистический анализ их свойств позволяет лагранжево описание процесса турбулентного течения. Это уникальное преимущество метода 3-D PTV.

Типичная реализация 3D-PTV состоит из двух, трех или четырех цифровых камер, установленных в угловой конфигурации и синхронно регистрирующих дифрагированный или флуоресцентный свет от трассеров потока, засеянных в потоке. Поток освещается коллимированным лазерным лучом или другим источником света, который часто стробируется синхронно с частотой кадров камеры, чтобы сократить эффективное время экспозиции движущихся оптических целей и «заморозить» их положение на каждом кадре. Нет никаких ограничений на то, чтобы свет был когерентным или монохроматичным ; только его освещенность должна быть достаточной для визуализации частиц трассера в объеме наблюдения. Частицы или трассеры могут быть флуоресцентными , дифракционными , отслеживаемыми через как можно больше последовательных кадров и на как можно большем количестве камер для максимальной точности позиционирования. В принципе, для определения трех координат частицы в пространстве достаточно двух камер в стереоскопической конфигурации, но в большинстве практических ситуаций для достижения удовлетворительной точности трехмерного позиционирования, а также для повышения точности определения траектории при изучении полностью турбулентных потоков используются три или четыре камеры.

Существует несколько версий схем 3D-PTV. Большинство из них используют либо 3 ПЗС ^{[1] , либо 4 ПЗС [2]} .

Использование белого света для освещения объема наблюдения вместо лазерного освещения существенно снижает как стоимость, так и требования по охране труда и технике безопасности. ^{[ необходима цитата ]} Первоначальная разработка метода 3-D PTV началась как совместный проект Института геодезии и фотограмметрии и Института гидравлики Швейцарской высшей технической школы Цюриха. ^{[ необходима цитата ]} Дальнейшие разработки метода включают обработку изображений в реальном времени с использованием встроенного в камеру чипа FPGA. ^[3]

• Анемометрия с горячей проволокой
• Лазерная допплеровская велосиметрия
• Молекулярная маркировка велосиметрии

• Маас, Х.-Г., 1992. Цифровая фотограмметрия в дер-драймерной технике Strömungsmesstechnik, ETH Zürich Dissertation Nr. 9665
• Малик, Н., Дракос, Т., Папантониу, Д., 1993. Отслеживание частиц в трехмерных турбулентных потоках - Часть II: Отслеживание частиц. Эксперименты в жидкостях, том 15, стр. 279–294
• Maas, H.-G., Grün, A., Papantoniou, D., 1993. Отслеживание частиц в трехмерных турбулентных потоках - Часть I: Фотограмметрическое определение координат частиц. Experiments in Fluids Vol. 15, стр. 133–146
• Srdic, Andjelka, 1998. Взаимодействие плотных частиц со стратифицированной и турбулентной средой. Докторская диссертация, Университет штата Аризона.
• Люти, Б., Цинобер, А., Кинцельбах В. (2005)- Лагранжево измерение динамики завихренности в турбулентном потоке. Журнал механики жидкости. (528), стр. 87-118
• Николас Т. Уэллетт, Хайтао Сюй, Эберхард Боденшатц, Количественное исследование трехмерных алгоритмов отслеживания лагранжевых частиц, Эксперименты в жидкостях, том 40, выпуск 2, февраль 2006 г., страницы 301–313.