Скорость
Велосиметрия это измерение скорости жидкостей . – Эту задачу часто воспринимают как нечто само собой разумеющееся, и она включает в себя гораздо более сложные процессы, чем можно было бы ожидать. Его часто используют для решения задач гидродинамики , изучения гидросистем, в приложениях для управления промышленными и технологическими процессами , а также при создании новых типов датчиков расхода жидкости . Методы велосиметрии включают велосиметрию по изображению частиц и велосиметрию с отслеживанием частиц , велосиметрию с молекулярной меткой , лазерную интерферометрию , ультразвуковые доплеровские методы, доплеровские датчики и новые обработки сигналов методологии .
Как правило, измерения скорости проводятся в лагранжевой или эйлеровой системе отсчета (см. Лагранжевы и эйлеровы координаты ). Лагранжевы методы приписывают скорость объему жидкости в данный момент времени, тогда как методы Эйлера присваивают скорость объему области измерения в данный момент. Классическим примером различия является велосиметрия с отслеживанием частиц, идея которой состоит в том, чтобы найти скорость отдельных частиц-трассировщиков потока (лагранжиан), и велосиметрия изображений частиц, где цель состоит в том, чтобы найти среднюю скорость в подобласти поля вид (эйлеров). [1]
История
[ редактировать ]Велоциметрию можно проследить до времен Леонардо да Винчи , который пускал семена трав в поток и рисовал результирующие траектории семян, которые он наблюдал (лагранжево измерение). [2] В конце концов, визуализации потока да Винчи были использованы в его исследованиях сердечно-сосудистой системы, в попытке узнать больше о кровотоке во всем человеческом теле. [3]
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 водяных струй. [3]
В конце 19 века в этих технологиях произошел огромный прорыв, когда появилась возможность фотографировать структуры потоков. Ярким примером этого является использование Людвигом Махом частиц, неразрешимых невооруженным глазом, для визуализации линий тока. [4] Еще один заметный вклад был сделан в 20 веке Этьеном -Жюлем Маре, который использовал фотографические методы, чтобы представить концепцию дымового ящика. Эта модель позволяла отслеживать не только направления потока, но и скорость, поскольку более близкое расположение линий тока указывает на более быстрый поток. [3]
Совсем недавно высокоскоростные камеры и цифровые технологии произвели революцию в этой области. что позволяет использовать гораздо больше методов и отображать поля потока в трех измерениях. [3]
Методы
[ редактировать ]Сегодня основные идеи, установленные Леонардо, 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, засев потока не требуется. [6]
Пространственная реконструкция каналов потока жидкости с использованием изображений трассера с длительной выдержкой может применяться для визуализации линий тока, велосиметрии, высокоскоростной измерения скорости стационарных потоков с высоким разрешением без частоты кадров. [7] Временная интеграция скоростной информации может использоваться для суммирования потока жидкости. Для измерения скорости и длины на движущихся поверхностях лазерные поверхностные измерители скорости . используются [8]
Жидкость обычно ограничивает выбор частиц в зависимости от ее удельного веса; частицы в идеале должны иметь ту же плотность, что и жидкость. Это особенно важно в потоках с большим ускорением (например, высокоскоростное течение через 90-градусное колено трубы). [9] Таким образом, более тяжелые жидкости, такие как вода и нефть, очень привлекательны для измерения скорости, тогда как воздух создает проблему для большинства методов, поскольку редко удается найти частицы той же плотности, что и воздух.
Тем не менее, даже методы измерения больших полей, такие как PIV, успешно применяются в воздухе. [10] Частицы, используемые для засева, могут быть как каплями жидкости, так и твердыми частицами. Твердые частицы предпочтительнее, когда необходимы высокие концентрации частиц. [9] Для точечных измерений, таких как лазерная допплеровская скорость , частиц в нанометровом диапазоне диаметров, таких как частицы в сигаретном дыме, достаточно для выполнения измерения. [6]
В воде и масле можно использовать множество недорогих промышленных шариков, таких как покрытые серебром полые стеклянные сферы, 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
[ редактировать ]PIV использовался в исследованиях по контролю авиационного шума. Этот шум создается высокоскоростным смешиванием горячей струи выхлопных газов с температурой окружающей среды. PIV использовался для моделирования такого поведения. [13]
Кроме того, допплеровская велосиметрия позволяет неинвазивными методами определить, имеет ли плод правильный размер на данном сроке беременности. [14]
Основа для четырехмерной визуализации легких
[ редактировать ]Велоциметрия также применялась к медицинским изображениям для получения региональных измерений кровотока и движения тканей. Первоначально стандарт PIV (освещение в одной плоскости) был адаптирован для работы с рентгеновскими изображениями (освещение полного объема), что позволяло измерять непрозрачные потоки, такие как кровоток. Затем этот метод был расширен для исследования регионального 2D-движения легочной ткани и оказался чувствительным индикатором регионального заболевания легких. [15]
Велоциметрия также была расширена до региональных 3D-измерений кровотока и движения тканей с помощью нового метода — компьютерной томографической рентгеновской велоциметрии, — который использует информацию, содержащуюся в кросс-корреляции PIV, для извлечения 3D-измерений из последовательностей 2D-изображений. [16] В частности, компьютерная томографическая рентгеновская велосиметрия генерирует решение модели, сравнивает взаимную корреляцию модели с взаимной корреляцией из последовательности двумерных изображений и выполняет итерацию решения модели до тех пор, пока не появится разница между взаимными корреляциями модели и последовательностью изображений. взаимная корреляция сведена к минимуму. Этот метод используется как неинвазивный метод для количественной оценки функциональных характеристик легких. Его используют в клинических условиях, [17] и используется в клинических исследованиях, проводимых такими учреждениями, как Университет Дьюка , [18] Медицинский центр Университета Вандербильта [19] и Университет медицинских наук Орегона [20]
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Портал велоциметрии представляет собой онлайн-центр методов лазерной диагностики (PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, High Speed PIV, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP и т. д.). Этот портал разрабатывается с целью предоставления как можно большего количества информации о методах лазерной диагностики в консолидированной форме. Услуги включают в себя «Основные принципы», «Приложения», «Дискуссионные форумы», «Ссылки на ссылки». Прилагаются концентрированные усилия, чтобы собрать воедино все существующие и возможные приложения PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, High Speed PIV, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP. Портал велоциметрии призван стать ориентиром для всех вопросов, связанных с методами лазерной диагностики.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бэтчелор, ГК (Джордж Кейт) (2002). Введение в гидродинамику . Издательство Кембриджского университета. ISBN 0-521-66396-2 . OCLC 800027809 .
- ^ Гариб, М.; Кремерс, Д.; Кочесфахани, М.; Кемп, М. (2002). «Видение Леонардо визуализации потока». Эксперименты с жидкостями . 33 (1): 219–223. Бибкод : 2002ExFl...33..219G . дои : 10.1007/s00348-002-0478-8 . ISSN 0723-4864 . S2CID 9577969 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б с д Фермижье, Марк (сентябрь 2017 г.). «Использование изображений в механике жидкости» . Механические отчеты . 345 (9): 595–604. Бибкод : 2017CRMec.345..595F . дои : 10.1016/j.crme.2017.05.015 . ISSN 1631-0721 .
- ^ Рафаэль, Маркус; Виллерт, Кристиан Э.; Уэрли, Стив Т.; Компенханс, Юрген (2007). Скорость изображения частиц . дои : 10.1007/978-3-540-72308-0 . ISBN 978-3-540-72307-3 .
- ^ Ридер, Марк Ф.; Крафтон, Джим В.; Эстевадеордал, Хорди; ДеЛапп, Джозеф; МакНил, Чарльз; Пельтье, Дон; Рейнольдс, Тина (18 ноября 2009 г.). «Чистый посев для визуализации потока и измерений скорости». Эксперименты с жидкостями . 48 (5): 889–900. дои : 10.1007/s00348-009-0784-5 . ISSN 0723-4864 . S2CID 120422467 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Майлз и Ричард Б.; Лемперт, Уолтер Р. (1997). «Количественная визуализация потока в незасеянных потоках». Ежегодный обзор механики жидкости . 29 (1): 285–326. Бибкод : 1997АнРФМ..29..285М . дои : 10.1146/annurev.fluid.29.1.285 . ISSN 0066-4189 .
- ^ Кейнан, Элиэзер; Эзра, Елисей; Нахмиас, Яаков (5 августа 2013 г.). «Измерение скорости изображения без частоты кадров для микрофлюидных устройств» . Письма по прикладной физике . 103 (6): 063507. Бибкод : 2013ApPhL.103f3507K . дои : 10.1063/1.4818142 . ISSN 0003-6951 . ПМК 3751964 . ПМИД 24023394 .
- ^ Труакс, Брюс Э.; Демарест, Фрэнк С.; Соммаргрен, Гэри Э. (1983). «Лазерный доплеровский велосиметр для измерения скорости и длины движущихся поверхностей». Конференция по лазерам и электрооптике . Вашингтон, округ Колумбия: OSA: WN6. дои : 10.1364/cleo.1983.wn6 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Меллинг, А. (1 декабря 1997 г.). «Частицы-трассеры и затравка для измерения скорости изображения частиц». Измерительная наука и технология . 8 (12): 1406–1416. Бибкод : 1997MeScT...8.1406M . дои : 10.1088/0957-0233/8/12/005 . ISSN 0957-0233 . S2CID 250844330 .
- ^ Адриан, Рональд Дж. (1991). «Методы визуализации частиц для экспериментальной механики жидкостей». Ежегодный обзор механики жидкости . 23 (1): 261–304. Бибкод : 1991АнРФМ..23..261А . дои : 10.1146/annurev.fl.23.010191.001401 . ISSN 0066-4189 .
- ^ Течет, Александра Х .; Белден, Джесси Л. (2007). «Визуализация границы мелкомасштабных прибойных волн». АПС . 60 : ГК.001. Бибкод : 2007APS..DFD.GK001T .
- ^ ДЖОНС, ГРЕГОРИ; ГАРТРЕЛЛ, ЛЮТЕР; КАМЕМОТО, ДЕРЕК (8 января 1990 г.). «Исследование эффектов засева в системах лазерных велосиметров». 28-е совещание по аэрокосмическим наукам . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. Бибкод : 1990aiaa.meetV....J . дои : 10.2514/6.1990-502 .
- ^ «Проливаем свет на тайны высокоскоростных горячих струй» . НАСА . 2019. Архивировано из оригинала 05 октября 2006 г.
- ^ Капонис, Апостол; Харада, Такаши; Макридимас, Джордж; Кияма, Томоики; Арата, Казуя; Адонакис, Джордж; Цапанос, Василис; Ивабе, Томио; Стефос, Теодорос; Декавалас, Джордж; Харада, Тасуку (2011). «Важность венозной допплеровской велосиметрии для оценки задержки внутриутробного развития» . Журнал ультразвука в медицине . 30 (4): 529–545. дои : 10.7863/jum.2011.30.4.529 . ISSN 1550-9613 . ПМИД 21460154 .
- ^ Фурас, Андреас; Эллисон, Бет Дж.; Кухня, Маркус Дж.; Дубски, Стивен; Нгуен, Джейн; Хуриган, Керри; Сиу, Карен К.В.; Льюис, Роб А.; Уоллес, Меган Дж.; Хупер, Стюарт Б. (01 мая 2012 г.). «Измененное движение легких является чувствительным индикатором регионарного заболевания легких» . Анналы биомедицинской инженерии . 40 (5): 1160–1169. дои : 10.1007/s10439-011-0493-0 . ISSN 1573-9686 . ПМИД 22189492 . S2CID 254193228 .
- ^ Дубский, С.; Джеймисон, РА; Ирвайн, Южная Каролина; Сиу, KKW; Хуриган, К.; Фурас, А. (11 января 2010 г.). «Компьютерная томографическая рентгеновская велосиметрия» . Письма по прикладной физике . 96 (2): 023702. Бибкод : 2010ApPhL..96b3702D . дои : 10.1063/1.3285173 . ISSN 0003-6951 .
- ^ «Технология XV | Новый метод выявления заболеваний легких» . 4DМедицинский . Проверено 15 сентября 2022 г.
- ^ Университет Дьюка (27 июля 2022 г.). «Функциональная визуализация легких 4DX в диагностике хронической дисфункции аллотрансплантата легких после трансплантации легких» . 4D Медицина.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Ричмонд, Брэдли (29 августа 2022 г.). «Полезность нового алгоритма визуализации (4DX) для диагностики констриктивного бронхиолита» . Медицинский центр Университета Вандербильта, 4D Medical.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Хан, Акрам (30 июня 2021 г.). «Вентиляционный дисбаланс при легкой и умеренной хронической обструктивной болезни легких» . Орегонский университет здравоохранения и науки, 4DMedical .
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь )