Велосиметрия с отслеживанием частиц - Particle tracking velocimetry

Велосиметрия с отслеживанием частиц (PTV) это велосиметрия метод, то есть метод измерения скорости и траектории движущихся объектов. В исследованиях механики жидкости эти объекты обладают нейтральной плавучестью. частицы которые взвешены в потоке жидкости. Как следует из названия, отслеживаются отдельные частицы, поэтому этот метод является лагранжевым, в отличие от велосиметрия изображения частиц (PIV), который представляет собой метод Эйлера, который измеряет скорость жидкости при ее прохождении через точку наблюдения, фиксированную в пространстве. Существует два экспериментальных метода PTV:

  • двумерный (2-D) ПТВ. Измерения производятся на двухмерном срезе, освещенном тонкой лазер лист (тонкий рубанок); низкая плотность засеянных частиц позволяет отслеживать каждую из них индивидуально для нескольких кадров.
  • трехмерный велосиметрия с отслеживанием частиц (3-D PTV) - отличительный 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 промышленных предприятий. Он основан на системе с несколькими камерами в стереоскопическом расположении, трехмерном освещении объема наблюдения, записи временной последовательности стереоскопических изображений оптических целей (световые индикаторы частиц), определении их мгновенного трехмерного положения в пространстве. за счет использования фотограмметрических методов и отслеживания их движения во времени, получая таким образом набор трехмерных траекторий оптических целей.

Описание

Трехмерная система измерения скорости слежения за частицами (PTV) относится к классу методов измерения скорости всего поля, используемых при изучении турбулентных потоков, что позволяет определять мгновенные распределения скорости и завихренности в двух или трех пространственных измерениях. 3-D PTV дает временные ряды мгновенных 3-компонентных векторов скорости в виде траекторий элемента жидкости. В любой момент плотность данных может легко превысить 10 векторов скорости на кубический сантиметр. Метод основан на стереоскопическом отображении (с использованием 2-4 камер) и синхронной регистрации движения индикаторов потока, то есть мелких частиц, взвешенных в потоке, освещенных стробированным источником света. Затем трехмерные координаты частицы как функция времени выводятся с использованием анализа изображений и фотограмметрии каждого стереоскопического набора кадров. Трехмерные положения частиц отслеживаются во временной области для получения траекторий частиц. Способность отслеживать (отслеживать) пространственно плотный набор отдельных частиц в течение достаточно длительного периода времени и выполнять статистический анализ их свойств позволяет лагранжевым образом описать процесс турбулентного потока. 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 записывающих дифрагированный или флуоресцентный свет от индикаторов потока, 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 ограничений на свет, который должен быть последовательный или монохромный; только его освещенность должно быть достаточно для отображения трассирующих частиц в объеме наблюдений. Частицы или индикаторы могут быть флуоресцентный, дифракционный, отслеживались по как можно большему количеству последовательных кадров и по как можно большему количеству камер для максимальной точности 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 для увеличения выход по траектории при изучении полностью турбулентных течений.

Схемы 3D-PTV

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

Схемы обработки изображений в реальном времени

Использование белого света для освещения зоны наблюдения вместо освещения на основе лазера существенно снижает как стоимость, так и требования к охране здоровья и безопасности.[нужна цитата ] Первоначальная разработка метода 3-D PTV началась как совместный проект Института геодезии и фотограмметрии и Института гидравлики ETH Zurich.[нужна цитата ] Дальнейшее развитие метода включает обработку изображений в реальном времени с использованием встроенного чипа FPGA.[3]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Метод 3D-скорости слежения за частицами: достижения и анализ ошибок В архиве 5 июля 2008 г. Wayback Machine
  2. ^ Трехмерная скорость отслеживания частиц
  3. ^ Крейзер, Марк; Ратнер, Дэвид; Либерзон, Алекс (2010). «Обработка изображений в реальном времени для измерения скорости движения частиц». ExFl. 48 (1): 105–110. Bibcode:2010ExFl ... 48..105K. Дои:10.1007 / s00348-009-0715-5. ISSN  0723-4864.
  • Маас, Х.-Г., 1992. Цифровая фотограмметрия в измерении размеров Strömungsmesstechnik, ETH Zürich Диссертация Nr. 9665
  • Малик, Н., Дракос, Т., Папантониу, Д., 1993. Отслеживание частиц в трехмерных турбулентных потоках - Часть II: Отслеживание частиц. Эксперименты в жидкостях Vol. 15. С. 279–294.
  • Маас, Х.-Г., Грюн, А., Папантониу, Д., 1993. Отслеживание частиц в трехмерных турбулентных потоках - Часть I: Фотограмметрическое определение координат частиц. Эксперименты в жидкостях Vol. 15. С. 133–146.
  • Srdic, Andjelka, 1998. Взаимодействие плотных частиц со стратифицированной и турбулентной средой. Кандидат наук. Диссертация, Университет штата Аризона.
  • Люти Б., Цинобер А., Кинзельбах В. (2005) - Лагранжево измерение динамики завихренности в турбулентном потоке. Журнал гидромеханики. (528), с. 87-118
  • Николас Т. Уэллетт, Хайтао Сюй, Эберхард Боденшац, Количественное исследование трехмерных алгоритмов слежения за лагранжевыми частицами, Эксперименты в жидкостях, Том 40, Выпуск 2, февраль 2006 г., страницы 301 - 313.

внешняя ссылка