Велосиметрия с отслеживанием частиц

Велосиметрия с отслеживанием частиц ( PTV ) — это метод измерения скорости , то есть метод измерения скоростей и траекторий движущихся объектов. В исследованиях в области механики жидкости эти объекты представляют собой нейтрально плавучие частицы , взвешенные в потоке жидкости. Как следует из названия, отдельные частицы отслеживаются, поэтому этот метод представляет собой лагранжев подход, в отличие от метода измерения скорости изображения частиц (PIV), который представляет собой метод Эйлера, который измеряет скорость жидкости при прохождении фиксированной точки наблюдения. в космосе. Существует два экспериментальных метода PTV:

двумерное (2-D) PTV. Измерения проводятся в двухмерном срезе, освещенном тонким лазерным листом (тонкой плоскостью); низкая плотность засеянных частиц позволяет отслеживать каждую из них индивидуально на протяжении нескольких кадров.
Трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц (3-D PTV) — это особый экспериментальный метод, первоначально разработанный для изучения полностью турбулентных потоков. В настоящее время он широко используется в различных дисциплинах, от исследований в области строительной механики до медицины и промышленности. В ее основе лежит многокамерная система в стереоскопической компоновке, трехмерное освещение объема наблюдения, запись временной последовательности стереоскопических изображений оптических целей (подсвеченных частиц трассеров потока), определение их мгновенного трехмерного положения в пространстве. используя фотограмметрические методы и отслеживая их движение во времени, получая таким образом набор трехмерных траекторий оптических целей. Трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц с временным разрешением известна как 4D-PTV.

Описание

Трехмерная велосиметрия с отслеживанием частиц (PTV) принадлежит к классу методов полнополевой скорости, используемых при изучении турбулентных потоков, позволяющих определять мгновенные распределения скорости и завихренности в двух или трех пространственных измерениях. 3-D PTV дает временные ряды мгновенных трехкомпонентных векторов скорости в форме траекторий элементов жидкости. В любой момент плотность данных может легко превысить 10 векторов скорости на кубический сантиметр. Метод основан на стереоскопической съемке (с помощью 2–4 камер) и синхронной регистрации движения трассеров потока – мелких частиц, взвешенных в потоке, подсвеченных стробирующим источником света. Затем трехмерные координаты частиц как функция времени получаются с помощью анализа изображений и фотограмметрического анализа каждого стереоскопического набора кадров. Положения трехмерных частиц отслеживаются во временной области для определения траекторий частиц. Возможность следить (отслеживать) пространственно плотный набор отдельных частиц в течение достаточно длительного периода времени и проводить статистический анализ их свойств позволяет лагранжево описать процесс 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, засеянных в потоке. Поток освещается коллимированным лазерным лучом или другим источником света, который часто стробируется синхронно с частотой кадров камеры, чтобы уменьшить эффективное время экспозиции движущихся оптических целей и «заморозить» их положение на каждом кадре. Нет никаких ограничений на то, чтобы свет был когерентным или монохроматическим ; только его освещенность должна быть достаточной для изображения трассирующих частиц в объеме наблюдения. Частицы или трассеры могут быть флуоресцентными , дифракционными , отслеживаться на максимально возможном количестве последовательных кадров и на максимальном количестве камер, чтобы максимизировать точность позиционирования. В принципе, двух камер в стереоскопической конфигурации достаточно для определения трех координат частицы в пространстве, но в большинстве практических ситуаций используются три или четыре камеры для достижения удовлетворительной точности трехмерного позиционирования, а также увеличения выход траектории при исследовании полностью турбулентных течений.

Схемы 3D-ПТВ

Существует несколько версий схем 3D-PTV. В большинстве из них используются либо 3 ПЗС-матрицы. ^[1] или 4 ПЗС-матрицы. ^[2]

Схемы обработки изображений в реальном времени

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

См. также

Ссылки

^ Метод трехмерной скорости отслеживания частиц: достижения и анализ ошибок. Архивировано 5 июля 2008 г., в Wayback Machine.
^ Трехмерная скорость отслеживания частиц
^ Крейцер, Марк; Ратнер, Дэвид; Либерзон, Алекс (2010). «Обработка изображений в реальном времени для измерения скорости частиц». ЭксФл . 48 (1): 105–110. Бибкод : 2010ExFl...48..105K . дои : 10.1007/s00348-009-0715-5 . ISSN 0723-4864 . S2CID 28252448 .

Маас, Х.-Г., 1992. Цифровая фотограмметрия в технологии трехмерного измерения расхода, диссертация ETH Zurich № 9665.
Малик Н., Дракос Т., Папантониу Д., 1993. Отслеживание частиц в трехмерных турбулентных потоках. Часть II: Отслеживание частиц. Эксперименты с жидкостями Vol. 15, стр. 279–294.
Маас Х.-Г., Грюн А., Папантониу Д., 1993. Отслеживание частиц в трехмерных турбулентных потоках - Часть I: Фотограмметрическое определение координат частиц. Эксперименты с жидкостями Vol. 15, стр. 133–146.
Срдич, Анджелка, 1998. Взаимодействие плотных частиц со стратифицированной и турбулентной средой. доктор философии Диссертация, Университет штата Аризона.
Люти Б., Цинобер А., Кинцельбах В. (2005) - Лагранжево измерение динамики завихренности в турбулентном потоке. Журнал механики жидкости. (528), с. 87-118
Николас Т. Уэллетт, Хайтао Сюй, Эберхард Боденшац, Количественное исследование трехмерных алгоритмов отслеживания лагранжевых частиц, Эксперименты с жидкостями, том 40, выпуск 2, февраль 2006 г., страницы 301–313.

[3ccd-1] Метод трехмерной скорости отслеживания частиц: достижения и анализ ошибок. Архивировано 5 июля 2008 г., в Wayback Machine.

[4ccd-2] Трехмерная скорость отслеживания частиц

[3] Крейцер, Марк; Ратнер, Дэвид; Либерзон, Алекс (2010). «Обработка изображений в реальном времени для измерения скорости частиц». ЭксФл . 48 (1): 105–110. Бибкод : 2010ExFl...48..105K . дои : 10.1007/s00348-009-0715-5 . ISSN 0723-4864 . S2CID 28252448 .

[1]

[2]

[3]