Velocimetrie - Velocimetry

Barvivo v tekutině může pomoci osvětlit dráhy pohybu tekutin. Toto je nejjednodušší příklad Velocimetrie.

Velocimetrie je měření rychlost z tekutiny. Toto je úkol, který se často považuje za samozřejmost, a zahrnuje mnohem složitější procesy, než by se dalo očekávat. Často se používá k řešení dynamika tekutin problémy, studium tekutinových sítí v průmyslových a kontrola procesu aplikací, stejně jako při vytváření nových druhů tekutin snímače průtoku. Mezi metody velocimetrie patří velocimetrie částicového obrazu a velocimetrie pro sledování částic, Molekulární značení velocimetrie na bázi laseru interferometrie, ultrazvukové dopplerovské metody, Doppler senzory a nové zpracování signálu metodiky.

Obecně se měření rychlosti provádějí v Lagrangeově nebo Euleriánském referenčním rámci (viz Lagrangian a Eulerian souřadnice ). Lagrangeovy metody přiřazují rychlost objemu kapaliny v daném čase, zatímco Eulerianovy metody přiřazují rychlost objemu měřicí domény v daném čase. Klasickým příkladem rozdílu je rychlost sledování částic, kde je myšlenka najít rychlost jednotlivých částic sledovacího proudu (Lagrangian) a rychlost částic, kde cílem je najít průměrnou rychlost v podoblasti pole pohled (Eulerian).[1]

Dějiny

Velocimetrii lze vysledovat až do doby Leonardo da Vinci, který by plavil travní semena na toku a načrtl výsledné trajektorie semen, které pozoroval (Lagrangeovo měření).[2] Nakonec byly při jeho kardio vaskulárních studiích použity vizualizace toku da Vinciho, které se pokoušely dozvědět více o průtoku krve v lidském těle.[3]

Kouř byl použit jako vizualizér podobně jako technika, kterou Marley popularizoval.

Metody podobné da Vinciho byly kvůli technologickým omezením prováděny téměř čtyři sta let. Jedna další pozoruhodná studie pochází od Felixe Savarta z roku 1833. Použití a stroboskopický nástroj, načrtl dopady vodního paprsku.[3]

Na konci 19. století došlo v těchto technologiích k obrovskému průlomu, když bylo možné fotografovat proudění. Jedním pozoruhodným příkladem je Ludwig Mach, který k vizualizaci proudů používá částice nerozeznatelné pouhým okem.[4] Další pozoruhodný příspěvek přinesl ve 20. století Jules Marey, který pomocí fotografických technik představil koncept kouřové skříně. Tento model umožňoval sledovat směry toku, ale také rychlost, protože proudnice blíže k sobě naznačovaly rychlejší tok.[3]

V poslední době způsobily revoluci v oboru vysokorychlostní kamery a digitální technologie. což umožňuje možnost mnoha dalších technik a vykreslování tokových polí ve třech rozměrech.[3]

Metody

Dnes jsou základní myšlenky, které vytvořil da Vinci, stejné; tok musí být naočkován částicemi, které lze pozorovat zvolenou metodou. Očkovací částice závisí na mnoha faktorech, včetně kapaliny, snímací metody, velikosti měřící domény a někdy očekávaných zrychlení toku.[5] Pokud tok obsahuje částice, které lze měřit přirozeně, je setí toku zbytečné.[6]

Prostorovou rekonstrukci fluidních trubic pomocí zobrazování stopovací látky s dlouhou expozicí lze použít pro usměrnění zobrazovací velocimetrie, velocimetrie stacionárních toků s vysokou rozlišovací frekvencí snímků.[7] K sčítání průtoku tekutiny lze použít dočasnou integraci velocimetrických informací. Pro měření rychlosti a délky na pohyblivých površích laserové povrchové velocimetry Jsou používány.[8]

Vektorové pole vytvořené PIV analýzou vírů

Tekutina obecně omezuje výběr částic podle její specifické hmotnosti; v ideálním případě by měly mít částice stejnou hustotu jako kapalina. To je zvláště důležité u toků s vysokým zrychlením (například vysokorychlostní tok přes 90-stupňové koleno).[9] Těžší tekutiny, jako je voda a olej, jsou tedy pro velocimetrii velmi atraktivní, zatímco vzduch je u většiny technik výzvou, že je zřídka možné najít částice se stejnou hustotou jako vzduch.

Přesto se ve vzduchu úspěšně prováděly i techniky měření velkého pole, jako je PIV.[10] Částicemi používanými k setí mohou být jak kapičky kapaliny, tak pevné částice. Pevné částice jsou výhodné, pokud jsou nutné vysoké koncentrace částic.[9] Pro bodová měření jako laserová Dopplerova velocimetrie „K provedení měření jsou dostatečné částice v rozsahu průměrů nanometrů, jako jsou částice v cigaretovém kouři.[6]

Ve vodě a oleji existuje celá řada levných průmyslových perliček, které lze použít, jako jsou postříbřené duté skleněné kuličky vyrobené jako vodivé prášky (rozsah průměrů desítek mikrometrů) nebo jiné perličky používané jako reflektory a texturovací prostředky v barvách a povlacích .[11] Částice nemusí být sférické; v mnoha případech lze použít částice oxidu titaničitého.[12]

Relevantní aplikace

PIV byl použit ve výzkumu o řízení hluku letadel. Tento hluk je vytvářen vysokorychlostním směšováním výfuků horkých paprsků s okolní teplotou prostředí. K modelování tohoto chování byl použit PIV.[13]

Dopplerova velocimetrie navíc umožňuje neinvazivní techniky určování, zda mají plody správnou velikost v daném termínu těhotenství.[14]

externí odkazy

  • Velocimetrický portál je online centrum pro diagnostické techniky laserového toku (PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, vysokorychlostní PIV, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP atd.). Tento portál je vyvíjen tak, aby poskytoval co nejvíce informací o diagnostických technikách laserového toku konsolidovaným způsobem. Služby zahrnují základní principy, aplikace, diskusní fóra, odkazy na odkazy. Zaměřuje se na soustředění všech současných a možných aplikací PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, Vysokorychlostní PIV, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP. Cílem portálu Velocimetry je stát se referenčním bodem pro všechny dotazy týkající se diagnostických technik laserového toku.

Reference

  1. ^ Batchelor, G. K. (George Keith) (2002). Úvod do dynamiky tekutin. Cambridge University Press. ISBN  0-521-66396-2. OCLC  800027809.
  2. ^ Gharib, M .; Kremers, D .; Koochesfahani, M .; Kemp, M. (2002). „Leonardova vize vizualizace toku“. Experimenty s tekutinami. 33 (1): 219–223. Bibcode:2002ExFl ... 33..219G. doi:10.1007 / s00348-002-0478-8. ISSN  0723-4864.
  3. ^ A b C d Fermigier, Marc (září 2017). „Použití obrázků v mechanice tekutin“. Comptes Rendus Mécanique. 345 (9): 595–604. doi:10.1016 / j.crme.2017.05.015. ISSN  1631-0721.
  4. ^ Raffel, Markus; Willert, Christian E .; Wereley, Steve T .; Kompenhans, Jürgen (2007). Velocimetrie obrazu částic. doi:10.1007/978-3-540-72308-0. ISBN  978-3-540-72307-3.
  5. ^ Reeder, Mark F .; Crafton, Jim W .; Estevadeordal, Jordi; DeLapp, Joseph; McNiel, Charles; Peltier, Don; Reynolds, Tina (18. 11. 2009). "Čisté očkování pro vizualizaci toku a měření velocimetrie". Experimenty s tekutinami. 48 (5): 889–900. doi:10.1007 / s00348-009-0784-5. ISSN  0723-4864.
  6. ^ A b Miles a Richard B .; Lempert, Walter R. (1997). "Vizualizace kvantitativního toku v nenasazených tocích". Roční přehled mechaniky tekutin. 29 (1): 285–326. Bibcode:1997AnRFM..29..285M. doi:10.1146 / annurev.fluid.29.1.285. ISSN  0066-4189.
  7. ^ Keinan, Eliezer; Ezra, Elishai; Nahmias, Yaakov (08.08.2013). „Rychlost obrazu bez snímků za vteřinu pro mikrofluidní zařízení“. Aplikovaná fyzikální písmena. 103 (6): 063507. Bibcode:2013ApPhL.103f3507K. doi:10.1063/1.4818142. ISSN  0003-6951. PMC  3751964. PMID  24023394.
  8. ^ Truax, Bruce E .; Demarest, Frank C .; Sommargren, Gary E. (1983). "Laserový dopplerovský velocimetr pro měření rychlosti a délky pohyblivých povrchů". Konference o laserech a elektrooptice. Washington, D.C .: OSA: WN6. doi:10.1364 / cleo.1983.wn6.
  9. ^ A b Melling, A (01.01.1997). "Stopovací částice a očkování pro velocimetrii částicového obrazu". Věda a technika měření. 8 (12): 1406–1416. Bibcode:1997MeScT ... 8,1406 mil. doi:10.1088/0957-0233/8/12/005. ISSN  0957-0233.
  10. ^ Adrian, Ronald J. (1991). "Techniky zobrazování částic pro experimentální mechaniku tekutin". Roční přehled mechaniky tekutin. 23 (1): 261–304. Bibcode:1991AnRFM..23..261A. doi:10.1146 / annurev.fl.23.010191.001401. ISSN  0066-4189.
  11. ^ Techet, Alexandra H.; Belden, Jesse L. (2007). "Zobrazování přes rozhraní drobných vln". APS. 60: GK.001. Bibcode:2007APS..DFD.GK001T.
  12. ^ JONES, GREGORY; GARTRELL, KŮŽE; KAMEMOTO, DEREK (08.01.1990). "Vyšetřování účinků setí v laserových velocimetrových systémech". 28. setkání leteckých věd. Reston, Virginie: Americký letecký a astronautický institut. Bibcode:1990aiaa.meetV .... J.. doi:10.2514/6.1990-502.
  13. ^ „Vrhá světlo na tajemství vysokorychlostních horkých trysek“. Nasa. 2019.
  14. ^ Kaponis, Apostolos; Harada, Takashi; Makrydimas, George; Kiyama, Tomoiki; Arata, Kazuya; Adonakis, George; Tsapanos, Vasilis; Iwabe, Tomio; Stefos, Theodoros; Decavalas, George; Harada, Tasuku (2011). "Důležitost venózní dopplerovské velocimetrie pro hodnocení omezení nitroděložního růstu". Journal of Ultrasound in Medicine. 30 (4): 529–545. doi:10.7863 / jum.2011.30.4.529. ISSN  1550-9613. PMID  21460154.