Войти
Велосиметрия по изображению частиц ( PIV) - это оптический метод визуализации потока, используемый в образовании и исследованиях. Он используется для получения мгновенных измерений скорости и связанных свойств в жидкостях. Жидкость засевается частицами- индикаторами, которые для достаточно мелких частиц, как предполагается, точно следуют динамике потока (степень, в которой частицы точно следуют за потоком, представлена числом Стокса ). Жидкость с захваченными частицами освещается, чтобы частицы были видны. Движение затравочных частиц используется для расчета скорости и направления ( поля скоростей ) исследуемого потока.
Другие методы, используемые для измерения потоков, - это лазерная допплеровская велосиметрия и термоанемометрия. Основное различие между PIV и этими методами заключается в том, что PIV создает двумерные или даже трехмерные векторные поля, в то время как другие методы измеряют скорость в точке. Во время PIV концентрация частиц такова, что можно идентифицировать отдельные частицы на изображении, но нельзя с уверенностью отслеживать их между изображениями. Когда концентрация частиц настолько мала, что можно проследить за отдельной частицей, это называется велосиметрией с отслеживанием частиц, в то время как лазерная спекл-велосиметрия используется в случаях, когда концентрация частиц настолько высока, что трудно наблюдать отдельные частицы на изображении.
Типичное устройство PIV состоит из камеры (обычно это цифровая камера с ПЗС-микросхемой в современных системах), стробоскопа или лазера с оптическим устройством для ограничения освещаемой физической области (обычно цилиндрическая линза для преобразования светового луча в линию), синхронизатора, чтобы действовать в качестве внешнего триггера для управления камеры и лазера, посевных частиц и исследования по текучей среде. Волоконно - оптический кабель или жидкий световод может соединять лазер для установки объектива. Программное обеспечение PIV используется для постобработки оптических изображений.
Хотя способ добавления частиц или предметов в жидкость для наблюдения за ее потоком, вероятно, использовался время от времени на протяжении веков, устойчивое применение этого метода неизвестно. Первым, кто использовал частицы для более систематического изучения жидкостей, был Людвиг Прандтль в начале 20 века.
Лазерная доплеровская Velocimetry предшествовала PIV как система лазерно-цифрового анализа, получившая широкое распространение для исследований и промышленного использования. Способный получать все измерения скорости жидкости в определенной точке, он может считаться непосредственным предшественником 2-мерного PIV. Сама PIV была основана на лазерной спекл-велосиметрии, методике, с которой несколько групп начали экспериментировать в конце 1970-х годов. В начале 1980-х было обнаружено, что было выгодно снизить концентрацию частиц до уровней, при которых можно было наблюдать отдельные частицы. Далее было замечено, что при этих плотностях частиц было легче изучать потоки, если бы они были разделены на множество очень маленьких областей «опроса», которые можно было бы анализировать индивидуально для получения одной скорости для каждой области. Изображения обычно записывались с помощью аналоговых камер и требовали огромных вычислительных мощностей для анализа.
С увеличением мощности компьютеров и повсеместным использованием камер CCD, цифровое PIV становится все более распространенным, вплоть до того, что сегодня это основной метод.
Применение PIV в горении В затравочные частицы являются по своей природе критически важным компонентом системы PIV. В зависимости от исследуемой жидкости частицы должны иметь возможность достаточно хорошо соответствовать свойствам жидкости. В противном случае они не будут достаточно удовлетворительно следовать за потоком, чтобы PIV-анализ считался точным. Идеальные частицы будут иметь ту же плотность, что и используемая жидкая система, и будут сферическими (эти частицы называются микросферами ). Хотя фактический выбор частиц зависит от природы жидкости, обычно для макро-PIV-исследований это стеклянные шарики, полистирол, полиэтилен, алюминиевые хлопья или капли масла (если исследуемая жидкость является газом ). Показатель преломления для затравочных частиц должен отличаться от показателя текучести, которую они затравливают, чтобы лазерный лист, падающий на поток текучей среды, отражался от частиц и рассеивался в сторону камеры.
Частицы обычно имеют диаметр от 10 до 100 микрометров. Что касается размеров, частицы должны быть достаточно маленькими, чтобы время реакции частиц на движение жидкости было достаточно коротким, чтобы точно следовать за потоком, но достаточно большим, чтобы рассеять значительное количество падающего лазерного света. Для некоторых экспериментов, связанных со сжиганием, размер затравочных частиц может быть меньше, порядка 1 микрометра, чтобы избежать эффекта гашения, который инертные частицы могут оказывать на пламя. Из-за небольшого размера частиц в движении частиц преобладает сопротивление стокса и эффекты оседания или подъема. В модели, где частицы моделируются как сферические ( микросферы ) при очень низком числе Рейнольдса, способность частиц следовать за потоком жидкости обратно пропорциональна разнице в плотности между частицами и жидкостью, а также обратно пропорциональна квадрат их диаметра. В рассеянном светом частицах преобладает рассеяние Ми, и поэтому он также пропорционален квадрату диаметров частиц. Таким образом, размер частиц должен быть сбалансирован, чтобы рассеять достаточно света, чтобы точно визуализировать все частицы в плоскости лазерного листа, но достаточно мелкие, чтобы точно следовать за потоком.
Механизм высева также должен быть спроектирован таким образом, чтобы засеять поток в достаточной степени без чрезмерного нарушения потока.
Чтобы выполнить PIV-анализ потока, требуется два воздействия лазерного света на камеру из потока. Первоначально, из-за неспособности камер захватывать несколько кадров на высоких скоростях, обе экспозиции были захвачены в одном кадре, и этот единственный кадр использовался для определения потока. Для этого анализа использовался процесс, называемый автокорреляцией. Однако в результате автокорреляции направление потока становится неясным, поскольку неясно, какие пятна частиц относятся к первому импульсу, а какие - ко второму. С тех пор были разработаны более быстрые цифровые камеры с использованием чипов CCD или CMOS, которые могут захватывать два кадра с высокой скоростью с разницей в несколько сотен нс между кадрами. Это позволило изолировать каждую экспозицию на отдельном кадре для более точного анализа взаимной корреляции. Ограничение типичных камер состоит в том, что эта высокая скорость ограничена парой снимков. Это связано с тем, что каждая пара снимков должна быть передана в компьютер, прежде чем можно будет сделать еще одну пару снимков. Обычные камеры могут делать только пару снимков с гораздо меньшей скоростью. Доступны высокоскоростные камеры CCD или CMOS, но они намного дороже.
Для макро-PIV-установок преобладают лазеры из-за их способности генерировать мощные световые лучи с короткой длительностью импульса. Это дает короткое время выдержки для каждого кадра. Nd: YAG-лазеры, обычно используемые в установках PIV, излучают в основном на длине волны 1064 нм и ее гармониках (532, 266 и т. Д.). По соображениям безопасности лазерное излучение обычно фильтруется по полосе пропускания, чтобы изолировать гармоники 532 нм (это зеленый свет, единственная гармоника, которую можно увидеть невооруженным глазом). Волоконно - оптический кабель или жидкий световод может быть использован, чтобы направить лазерный луч на экспериментальную установку.
Оптика состоит из комбинации сферической линзы и цилиндрической линзы. Цилиндрическая линза расширяет лазер в плоскость, а сферическая линза сжимает плоскость в тонкий лист. Это очень важно, поскольку метод PIV обычно не может измерять движение перпендикулярно лазерному листу, и поэтому в идеале его можно исключить, сохраняя полностью двумерный лазерный лист. Сферическая линза не может сжать лазерный лист до двухмерной плоскости. Минимальная толщина порядка длины волны лазерного излучения и достигается на конечном расстоянии от оптической установки (фокус сферической линзы). Это идеальное место для размещения области анализа эксперимента.
Также следует выбрать правильный объектив для камеры, чтобы правильно сфокусироваться и визуализировать частицы в исследуемой области.
Синхронизатор действует как внешний триггер как для камеры (-ей), так и для лазера. В то время как аналоговые системы в виде фотодатчика, вращающейся апертуры и источника света использовались в прошлом, большинство систем, используемых сегодня, являются цифровыми. Управляемый компьютером, синхронизатор может определять время каждого кадра последовательности ПЗС-камеры в сочетании со срабатыванием лазера с точностью до 1 нс. Таким образом, можно точно контролировать время между каждым импульсом лазера и размещением лазерного выстрела относительно синхронизации камеры. Знание этого времени имеет решающее значение, поскольку оно необходимо для определения скорости жидкости в анализе PIV. Автономные электронные синхронизаторы, называемые генераторами цифровой задержки, обеспечивают временное разрешение с переменным разрешением от 250 пс до нескольких мс. Имея до восьми каналов синхронизированной синхронизации, они предлагают средства для управления несколькими лампами-вспышками и Q-переключателями, а также обеспечивают многократную экспозицию камеры.
PIV-анализ вихревой пары. Увеличение в левом верхнем углу показывает увеличение пространственного разрешения, которое может быть достигнуто с помощью современной техники многопроходной деформации окна. Кадры разделены на большое количество областей опроса или окон. Затем можно вычислить вектор смещения для каждого окна с помощью методов обработки сигналов и автокорреляции или взаимной корреляции. Это преобразуется в скорость, используя время между лазерными выстрелами и физический размер каждого пикселя на камере. Размер окна опроса следует выбирать так, чтобы в среднем на окно приходилось не менее 6 частиц. Наглядный пример анализа PIV можно увидеть здесь.
Синхронизатор управляет синхронизацией между экспозициями изображений, а также позволяет получать пары изображений в разное время в потоке. Для точного PIV-анализа идеально, чтобы интересующая область потока отображала среднее смещение частиц около 8 пикселей. Это компромисс между более длительным интервалом времени, который позволил бы частицам перемещаться дальше между кадрами, что затрудняет определение того, какое окно запроса переместилось в какую точку, и более коротким интервалом времени, который может затруднить определение любого смещения внутри поток.
Рассеянный свет от каждой частицы должен составлять от 2 до 4 пикселей в поперечнике на изображении. Если записывается слишком большая область, размер изображения частиц падает и может происходить блокировка пиков с потерей точности субпикселей. Существуют методы преодоления эффекта блокировки пиков, но они требуют дополнительной работы.
PIV-анализ застрявшей плоской пластины с наложением скорости сдвига Если есть собственный опыт PIV и время для разработки системы, даже если это нетривиально, можно создать собственную систему PIV. Однако системы PIV исследовательского уровня имеют лазеры высокой мощности и камеры высокого класса, позволяющие проводить измерения с самым широким спектром экспериментов, необходимых в исследованиях.
Пример анализа PIV без установки [1]
PIV тесно связан с корреляцией цифровых изображений, методом измерения оптического смещения, который использует методы корреляции для изучения деформации твердых материалов.
Этот метод в значительной степени ненавязчивый. Добавленные индикаторы (если они правильно выбраны) обычно вызывают незначительное искажение потока жидкости.
При оптическом измерении отпадает необходимость в трубках Пито, анемометрах с горячей проволокой или других интрузивных датчиках измерения расхода. Метод позволяет одновременно измерять все двумерное поперечное сечение (геометрию) поля течения.
Высокоскоростная обработка данных позволяет генерировать большое количество пар изображений, которые на персональном компьютере можно анализировать в реальном времени или позже, и может быть получено большое количество почти непрерывной информации.
Sub пиксельных значений смещений позволяют с высокой степенью точности, так как каждый вектор представляет собой статистическое среднее для многих частиц в пределах конкретной плитки. Смещение обычно может иметь точность до 10% от одного пикселя на плоскости изображения.
В некоторых случаях частицы из-за своей более высокой плотности не будут точно следовать движению жидкости ( газ / жидкость ). Если эксперименты проводятся, например, в воде, легко можно найти очень дешевые частицы (например, пластмассовый порошок диаметром ~ 60 мкм) с такой же плотностью, как и вода. Если плотность по-прежнему не подходит, плотность жидкости можно настроить, увеличивая / уменьшая ее температуру. Это приводит к незначительным изменениям числа Рейнольдса, поэтому необходимо изменить скорость жидкости или размер экспериментального объекта, чтобы учесть это.
Методы велосиметрии изображения частиц, как правило, не могут измерять компоненты вдоль оси z (по направлению к камере и от нее). Эти компоненты могут не только быть пропущены, они также могут вносить помехи в данные для x / y-компонентов, вызванные параллаксом. Этих проблем не существует в стереоскопической PIV, где для измерения всех трех компонентов скорости используются две камеры.
Поскольку результирующие векторы скорости основаны на взаимной корреляции распределений интенсивности на небольших участках потока, результирующее поле скорости является пространственно усредненным представлением фактического поля скорости. Это, очевидно, имеет последствия для точности пространственных производных поля скорости, завихренности и пространственных корреляционных функций, которые часто получаются из полей скорости PIV.
В системах PIV, используемых в исследованиях, часто используются лазеры класса IV и высокоскоростные камеры с высоким разрешением, что снижает стоимость и безопасность.
Стереоскопический PIV использует две камеры с разными углами обзора для извлечения смещения по оси z. Обе камеры должны быть сфокусированы на одной и той же точке потока и должны быть правильно откалиброваны, чтобы иметь одну и ту же точку в фокусе.
В фундаментальной механике жидкости смещение за единицу времени в направлениях X, Y и Z обычно определяется переменными U, V и W. Как было описано ранее, базовая PIV извлекает смещения U и V как функции плоскости X и Y направления. Это позволяет расчеты,, и градиентов скорости. Однако другие 5 членов тензора градиента скорости не могут быть найдены из этой информации. Стереоскопический анализ PIV также предоставляет компонент смещения оси Z, W, в пределах этой плоскости. Это не только обеспечивает скорость жидкости по оси Z в интересующей плоскости, но также может быть определено еще два члена градиента скорости: и. Компоненты градиента скорости, и не могут быть определены. Компоненты градиента скорости образуют тензор:
Это расширение стереоскопической PIV за счет добавления второй плоскости исследования, непосредственно смещенной от первой. Для этого анализа требуются четыре камеры. Две плоскости лазерного света создаются путем разделения лазерного излучения с помощью светоделителя на два луча. Затем каждый луч поляризуется ортогонально друг относительно друга. Затем они передаются через комплект оптики и используются для одновременного освещения одной из двух плоскостей.
Четыре камеры объединены в группы по две. Каждая пара фокусируется на одном из лазерных листов так же, как в одноплоскостной стереоскопической PIV. Каждая из четырех камер имеет поляризационный фильтр, предназначенный для пропускания только поляризованного рассеянного света от соответствующих интересующих плоскостей. По сути, это создает систему, с помощью которой две отдельные установки для стереоскопического PIV-анализа запускаются одновременно с минимальным расстоянием разделения между интересующими плоскостями.
Этот метод позволяет определить трех компонентов градиента скорости одной плоской стереоскопическое PIV не мог вычислить:, и. С помощью этого метода можно количественно оценить весь тензор градиента скорости жидкости в интересующей двумерной плоскости. Возникает трудность в том, что лазерные листы следует держать достаточно близко друг к другу, чтобы приблизиться к двумерной плоскости, но при этом достаточно смещенными, чтобы можно было найти значимые градиенты скорости в z-направлении.
Есть несколько расширений идеи двухплоскостной стереоскопической PIV. Существует возможность создать несколько параллельных лазерных листов, используя набор светоделителей и четвертьволновых пластин, обеспечивая три или более плоскостей, используя один лазерный блок и стереоскопическую установку PIV, называемую XPIV.
С помощью эпифлуоресцентного микроскопа можно анализировать микроскопические потоки. MicroPIV использует флуоресцентные частицы, которые возбуждают на определенной длине волны и излучают на другой длине волны. Лазерный свет отражается через дихроичное зеркало, проходит через линзу объектива, которая фокусируется на интересующей точке и освещает региональный объем. Излучение частиц вместе с отраженным лазерным светом проходит через объектив, дихроичное зеркало и через эмиссионный фильтр, блокирующий лазерный свет. В то время как PIV черпает свои свойства двумерного анализа из плоской природы лазерного листа, microPIV использует способность линзы объектива фокусироваться только на одной плоскости за раз, тем самым создавая двумерную плоскость видимых частиц.
Частицы MicroPIV имеют диаметр порядка нескольких сотен нм, что означает, что они чрезвычайно восприимчивы к броуновскому движению. Таким образом, для этого метода необходимо использовать специальный метод анализа с усреднением по ансамблю. Взаимная корреляция серии базовых PIV-анализов усредняется вместе для определения фактического поля скорости. Таким образом, можно исследовать только стационарные течения. Также необходимо использовать специальные методы предварительной обработки, поскольку изображения имеют тенденцию иметь смещение нулевого смещения из-за фонового шума и низкого отношения сигнал-шум. Обычно также используются объективы с высокой числовой апертурой, чтобы уловить максимально возможное излучение света. Выбор оптики также важен по тем же причинам.
Голографический PIV (HPIV) включает в себя множество экспериментальных методов, в которых используется интерференция когерентного света, рассеянного частицей, и опорного луча для кодирования информации об амплитуде и фазе рассеянного света, падающего на плоскость датчика. Эта закодированная информация, известная как голограмма, может затем использоваться для восстановления исходного поля напряженности путем освещения голограммы исходным опорным лучом с помощью оптических методов или цифровых приближений. Поле интенсивности опрашивается с использованием методов трехмерной взаимной корреляции для получения поля скорости.
Внеосевой HPIV использует отдельные лучи для создания волны объекта и опорной волны. Эта установка используется для предотвращения образования спекл-шума из-за интерференции двух волн в рассеивающей среде, что могло бы произойти, если бы они обе распространялись через среду. Внеосевой эксперимент представляет собой очень сложную оптическую систему, состоящую из множества оптических элементов, и читатель может обратиться к примерной схеме в Sheng et al. для более полного представления.
Поточная голография - это еще один подход, который обеспечивает некоторые уникальные преимущества для визуализации частиц. Возможно, самым большим из них является использование света, рассеянного вперед, который на несколько порядков ярче, чем рассеяние, направленное перпендикулярно направлению луча. Кроме того, оптическая установка таких систем намного проще, поскольку остаточный свет не нужно разделять и рекомбинировать в другом месте. Встроенная конфигурация также обеспечивает относительно простое расширение для применения ПЗС-датчиков, создавая отдельный класс экспериментов, известный как цифровая поточная голография. Сложность таких установок смещается от оптической установки к постобработке изображений, которая включает использование смоделированных эталонных лучей. Дальнейшее обсуждение этих тем выходит за рамки данной статьи и рассматривается в Arroyo and Hinsch.
Множество проблем ухудшают качество результатов по ВПЧ. Первый класс вопросов связан с самой реконструкцией. В голографии объектная волна частицы обычно считается сферической; однако из-за теории рассеяния Ми эта волна имеет сложную форму, которая может искажать реконструированную частицу. Другой проблемой является наличие значительного спекл-шума, который снижает общее отношение сигнал / шум изображений частиц. Этот эффект более важен для поточных голографических систем, поскольку опорный луч распространяется через объем вместе с рассеянным объектным лучом. Шум также может возникать из-за примесей в рассеивающей среде, таких как колебания температуры и дефекты окон. Поскольку голография требует когерентной визуализации, эти эффекты намного более серьезны, чем при традиционных условиях визуализации. Сочетание этих факторов увеличивает сложность процесса корреляции. В частности, спекл-шум в записи HPIV часто препятствует использованию традиционных методов корреляции на основе изображений. Вместо этого реализованы идентификация и корреляция отдельных частиц, которые устанавливают ограничения на числовую плотность частиц. Более подробное описание этих источников ошибок дано в Meng et al.
В свете этих проблем может показаться, что HPIV слишком сложен и подвержен ошибкам, чтобы его можно было использовать для измерения потока. Однако многие впечатляющие результаты были получены с использованием всех голографических подходов. Свижер и Коэн использовали гибридную систему HPIV для изучения физики шпилечных вихрей. Тао и др. исследовали совмещение тензоров завихренности и скорости деформации в турбулентности с высоким числом Рейнольдса. В качестве последнего примера Sheng et al. использовал голографическую микроскопию для выполнения пристенных измерений турбулентного напряжения сдвига и скорости в турбулентных пограничных слоях.
Используя вращающееся зеркало, высокоскоростную камеру и корректируя геометрические изменения, PIV может быть выполнен почти мгновенно на множестве плоскостей по всему полю потока. Затем свойства жидкости между плоскостями можно интерполировать. Таким образом, квазиобъемный анализ может быть выполнен на целевом объеме. Сканирование PIV может выполняться в сочетании с другими описанными двухмерными методами PIV для аппроксимации трехмерного объемного анализа.
Томографический PIV основан на освещении, регистрации и реконструкции индикаторных частиц в трехмерном измерительном объеме. В методе используется несколько камер для одновременной записи освещенного объема, который затем реконструируется для получения дискретизированного трехмерного поля интенсивности. Пара полей интенсивности анализируется с использованием алгоритмов трехмерной взаимной корреляции для расчета трехмерного, трехмерного поля скорости в объеме. Этот метод был первоначально разработан Elsinga et al. в 2006 году.
Процедура реконструкции представляет собой сложную недоопределенную обратную задачу. Основная сложность заключается в том, что единый набор представлений может быть получен из большого количества трехмерных объемов. Процедуры для правильного определения уникального объема из набора изображений являются основой области томографии. В большинстве экспериментов Tomo-PIV используется метод мультипликативной алгебраической реконструкции (MART). Преимущество этого метода попиксельной реконструкции состоит в том, что он избавляет от необходимости идентифицировать отдельные частицы. Реконструкция дискретизированного трехмерного поля интенсивности требует больших вычислительных ресурсов, и, помимо MART, было предпринято несколько разработок, направленных на значительное сокращение этих вычислительных затрат, например, метод одновременной мультипликативной алгебраической реконструкции нескольких линий прямой видимости (MLOS-SMART), который использует преимущества разреженность трехмерного поля интенсивности для уменьшения требований к памяти и вычислениям.
Как показывает опыт, для приемлемой точности реконструкции необходимо как минимум четыре камеры, а наилучшие результаты получаются, когда камеры размещаются под углом примерно 30 градусов по нормали к измеряемому объему. Для успешного эксперимента необходимо учитывать множество дополнительных факторов.
Томо-ПИВ применяется к широкому спектру потоков. Примеры включают структуру взаимодействия турбулентного пограничного слоя и ударной волны, завихренность следа от цилиндра или аэродинамического профиля по тангажу, аэроакустические эксперименты со стержнем и профилем, а также для измерения мелкомасштабных микропотоков. Совсем недавно Tomo-PIV использовался вместе с трехмерной велосиметрией с отслеживанием частиц для понимания взаимодействий хищник-жертва, а портативная версия Tomo-PIV использовалась для изучения уникальных плавающих организмов в Антарктиде.
Термографический PIV основан на использовании термографических люминофоров в качестве затравочных частиц. Использование этих термографических люминофоров позволяет одновременно измерять скорость и температуру в потоке.
Термографические люминофоры состоят из керамических материалов-хозяев, легированных ионами редкоземельных или переходных металлов, которые проявляют фосфоресценцию при освещении УФ-светом. Время затухания и спектры этой фосфоресценции чувствительны к температуре и позволяют использовать два разных метода измерения температуры. Метод времени затухания заключается в подгонке затухания фосфоресценции к экспоненциальной функции и обычно используется в точечных измерениях, хотя он был продемонстрирован в измерениях поверхности. Отношение интенсивностей двух различных спектральных линий излучения фосфоресценции, отслеживаемых с помощью спектральных фильтров, также зависит от температуры и может использоваться для измерений на поверхности.
Частицы люминофора микрометрового размера, используемые в термографическом PIV, засеваются в поток в качестве индикатора, и после освещения тонким лазерным световым листом температура частиц может быть измерена по фосфоресценции, обычно с использованием метода отношения интенсивностей. Важно, чтобы частицы были небольшого размера, чтобы они не только удовлетворительно следовали за потоком, но и быстро принимали его температуру. Для диаметра 2 мкм тепловое скольжение между частицей и газом равно скорости скольжения.
Освещение люминофора достигается УФ-светом. Большинство термографических люминофоров поглощают свет в широком диапазоне УФ-излучения и поэтому могут быть возбуждены с помощью лазера на YAG: Nd. Теоретически один и тот же свет можно использовать как для измерения PIV, так и для измерения температуры, но это означает, что необходимы камеры, чувствительные к УФ-излучению. На практике два разных луча, исходящие от разных лазеров, перекрываются. В то время как один из лучей используется для измерения скорости, другой используется для измерения температуры.
Использование термографических люминофоров предлагает некоторые преимущества, включая способность выживать в реактивных и высокотемпературных средах, химическую стабильность и нечувствительность их фосфоресцентного излучения к давлению и составу газа. Кроме того, термографические люминофоры излучают свет на разных длинах волн, что позволяет различать спектры возбуждающего света и фона.
Термографический PIV был продемонстрирован для усредненных по времени и однократных измерений. Недавно были успешно выполнены высокоскоростные (3 кГц) измерения с временным разрешением.
С развитием искусственного интеллекта появились научные публикации и коммерческое программное обеспечение, предлагающее вычисления PIV на основе глубокого обучения и сверточных нейронных сетей. Используемая методология проистекает в основном из нейронных сетей оптического потока, популярных в машинном зрении. Набор данных, который включает изображения частиц, создается для обучения параметров сетей. Результатом является глубокая нейронная сеть для PIV, которая может обеспечить оценку плотного движения вплоть до одного вектора для одного пикселя, если записанные изображения позволяют. AI PIV обещает плотное поле скорости, не ограниченное размером окна запроса, которое ограничивает традиционный PIV одним вектором на 16 x 16 пикселей.
С развитием цифровых технологий стали возможны обработка в реальном времени и приложения PIV. Например, графические процессоры можно использовать для существенного ускорения корреляции отдельных окон опроса на основе преобразования Фурье. Точно так же многопроцессорные, параллельные или многопоточные процессы на нескольких процессорах или многоядерных процессорах полезны для распределенной обработки нескольких окон запроса или нескольких изображений. Некоторые приложения используют методы обработки изображений в реальном времени, такие как FPGA, основанные на сжатии изображений «на лету» или обработке изображений. Совсем недавно возможности измерения и обработки PIV в реальном времени были реализованы для будущего использования при активном управлении потоком с обратной связью на основе потока.
PIV применялся для решения широкого круга проблем, связанных с потоком, от обтекания крыла самолета в аэродинамической трубе до образования вихрей в протезах клапанов сердца. Для анализа турбулентных потоков и струй были предприняты попытки трехмерных методов.
Элементарные алгоритмы PIV, основанные на взаимной корреляции, могут быть реализованы за считанные часы, тогда как более сложные алгоритмы могут потребовать значительных затрат времени. Доступно несколько реализаций с открытым исходным кодом. Применение PIV в системе образования США было ограничено из-за высокой цены и соображений безопасности промышленных систем PIV исследовательского уровня.
PIV также можно использовать для измерения поля скорости свободной поверхности и базовой границы в гранулированных потоках, например, в трясущихся контейнерах, тумблерах и лавинах. Этот анализ особенно хорошо подходит для непрозрачных сред, таких как песок, гравий, кварц или другие сыпучие материалы, которые обычно используются в геофизике. Такой подход PIV называется «гранулированный PIV». Установка для гранулированного PIV отличается от обычной установки PIV тем, что структура оптической поверхности, которая создается за счет освещения поверхности гранулированного потока, уже достаточна для обнаружения движения. Это означает, что не нужно добавлять частицы индикатора в сыпучий материал.
Испытания и измерения в Curlie
Исследование PIV в лаборатории экспериментальной гидродинамики ( лаборатория Дж. Каца )
