Velocimetria de imagem de partícula - Particle image velocimetry

Velocimetria de imagem de partícula ( PIV ) é um método óptico de visualização de fluxo usado em educação e pesquisa. É usado para obter medições de velocidade instantâneas e propriedades relacionadas em fluidos . O fluido é semeado com partículas traçadoras que, para partículas suficientemente pequenas, devem seguir fielmente a dinâmica do fluxo (o grau em que as partículas seguem fielmente o fluxo é representado pelo número de Stokes ). O fluido com partículas arrastadas é iluminado para que as partículas sejam visíveis. O movimento das partículas de semeadura é usado para calcular a velocidade e a direção (o campo de velocidade ) do fluxo em estudo.

Outras técnicas utilizadas para medir fluxos são a velocimetria laser Doppler e a anemometria de fio quente . A principal diferença entre o PIV e essas técnicas é que o PIV produz campos vetoriais bidimensionais ou mesmo tridimensionais , enquanto as outras técnicas medem a velocidade em um ponto. Durante o PIV, a concentração de partículas é tal que é possível identificar partículas individuais em uma imagem, mas não com certeza rastreá-la entre as imagens. Quando a concentração de partículas é tão baixa que é possível seguir uma partícula individual, ela é chamada de velocimetria de rastreamento de partículas , enquanto a velocimetria de pontilhado a laser é usada para casos em que a concentração de partículas é tão alta que é difícil observar partículas individuais em uma imagem.

O aparelho PIV típico consiste em uma câmera (normalmente uma câmera digital com um chip CCD em sistemas modernos), um estroboscópio ou laser com um arranjo óptico para limitar a região física iluminada (normalmente uma lente cilíndrica para converter um feixe de luz em uma linha), um sincronizador para atuar como um gatilho externo para o controle da câmera e do laser, das partículas de semeadura e do fluido sob investigação. Um cabo de fibra ótica ou guia de luz líquida pode conectar o laser à configuração da lente. O software PIV é usado para pós-processar as imagens ópticas.

História

Embora o método de adicionar partículas ou objetos a um fluido para observar seu fluxo provavelmente tenha sido usado de tempos em tempos através dos tempos, nenhuma aplicação sustentada do método é conhecida. O primeiro a usar partículas para estudar fluidos de forma mais sistemática foi Ludwig Prandtl , no início do século XX.

A Velocimetria Laser Doppler antecede o PIV como um sistema de análise digital a laser que se tornou amplamente difundido para pesquisa e uso industrial. Capaz de obter todas as medições de velocidade de um fluido em um ponto específico, ele pode ser considerado o predecessor imediato do PIV bidimensional. O próprio PIV encontrou suas raízes na velocimetria de laser speckle , uma técnica que vários grupos começaram a experimentar no final dos anos 1970. No início da década de 1980, descobriu-se que era vantajoso diminuir a concentração de partículas para níveis onde as partículas individuais pudessem ser observadas. Nessas densidades de partículas, foi ainda notado que seria mais fácil estudar os fluxos se eles fossem divididos em muitas áreas de 'interrogação' muito pequenas, que poderiam ser analisadas individualmente para gerar uma velocidade para cada área. As imagens geralmente eram gravadas com câmeras analógicas e precisavam de imensa capacidade de computação para serem analisadas.

Com o aumento do poder dos computadores e o uso generalizado de câmeras CCD , o PIV digital tornou-se cada vez mais comum, a ponto de ser a principal técnica hoje.

Equipamentos e aparelhos

Semeando partículas

Aplicação de PIV na combustão

As partículas de semeadura são um componente inerentemente crítico do sistema PIV. Dependendo do fluido sob investigação, as partículas devem ser capazes de corresponder às propriedades do fluido razoavelmente bem. Caso contrário, eles não seguirão o fluxo de forma satisfatória o suficiente para que a análise PIV seja considerada precisa. As partículas ideais terão a mesma densidade do sistema de fluido em uso e são esféricas (essas partículas são chamadas de microesferas ). Embora a escolha real da partícula dependa da natureza do fluido, geralmente para investigações macro PIV são contas de vidro , poliestireno , polietileno , flocos de alumínio ou gotículas de óleo (se o fluido sob investigação for um gás ). O índice de refração para as partículas de semeadura deve ser diferente do fluido que elas estão semeando, de modo que a folha de laser incidente no fluxo de fluido se reflita nas partículas e seja espalhada em direção à câmera.

As partículas têm tipicamente um diâmetro da ordem de 10 a 100 micrômetros. Quanto ao dimensionamento, as partículas devem ser pequenas o suficiente para que o tempo de resposta das partículas ao movimento do fluido seja razoavelmente curto para seguir com precisão o fluxo, mas grande o suficiente para espalhar uma quantidade significativa da luz laser incidente. Para alguns experimentos envolvendo combustão, o tamanho das partículas de semeadura pode ser menor, da ordem de 1 micrômetro, para evitar o efeito de extinção que as partículas inertes podem ter nas chamas. Devido ao pequeno tamanho das partículas, o movimento das partículas é dominado pelo arrasto de Stokes e pelos efeitos de sedimentação ou aumento. Em um modelo onde as partículas são modeladas como esféricas ( microesferas ) em um número de Reynolds muito baixo , a capacidade das partículas de seguir o fluxo do fluido é inversamente proporcional à diferença de densidade entre as partículas e o fluido, e também inversamente proporcional ao quadrado de seu diâmetro. A luz espalhada pelas partículas é dominada pelo espalhamento de Mie e, portanto, também é proporcional ao quadrado dos diâmetros das partículas. Assim, o tamanho da partícula precisa ser balanceado para espalhar luz suficiente para visualizar com precisão todas as partículas dentro do plano da folha de laser, mas pequeno o suficiente para seguir o fluxo com precisão.

O mecanismo de semeadura também precisa ser projetado de modo a semear o fluxo em um grau suficiente sem perturbar excessivamente o fluxo.

Câmera

Para realizar a análise PIV no fluxo, duas exposições de luz laser são necessárias na câmera do fluxo. Originalmente, com a incapacidade das câmeras de capturar vários quadros em altas velocidades, ambas as exposições eram capturadas no mesmo quadro e esse único quadro era usado para determinar o fluxo. Um processo denominado autocorrelação foi usado para esta análise. No entanto, como resultado da autocorrelação, a direção do fluxo se torna obscura, pois não está claro quais pontos de partícula são do primeiro pulso e quais são do segundo pulso. Câmeras digitais mais rápidas usando chips CCD ou CMOS foram desenvolvidas desde então e podem capturar dois quadros em alta velocidade com algumas centenas de ns de diferença entre os quadros. Isso permitiu que cada exposição fosse isolada em seu próprio quadro para uma análise de correlação cruzada mais precisa . A limitação das câmeras típicas é que essa velocidade rápida é limitada a um par de fotos. Isso ocorre porque cada par de fotos deve ser transferido para o computador antes que outro par de fotos possa ser feito. As câmeras típicas podem tirar apenas um par de fotos em uma velocidade muito mais lenta. Câmeras CCD ou CMOS de alta velocidade estão disponíveis, mas são muito mais caras.

Laser e ótica

Para configurações macro PIV, os lasers são predominantes devido à sua capacidade de produzir feixes de luz de alta potência com durações de pulso curtas. Isso produz tempos de exposição curtos para cada quadro. Os lasers Nd: YAG , comumente usados ​​em configurações PIV, emitem principalmente no comprimento de onda de 1064 nm e seus harmônicos (532, 266, etc.) Por razões de segurança, a emissão do laser é normalmente filtrada em banda para isolar os harmônicos de 532 nm (isto é luz verde , o único harmônico que pode ser visto a olho nu). Um cabo de fibra óptica ou guia de luz líquida pode ser usado para direcionar a luz do laser para a configuração experimental.

A ótica consiste em uma combinação de lentes esféricas e cilíndricas . A lente cilíndrica expande o laser em um plano enquanto a lente esférica comprime o plano em uma folha fina. Isso é crítico porque a técnica PIV geralmente não pode medir o movimento normal à folha de laser e, portanto, idealmente, isso é eliminado mantendo uma folha de laser totalmente bidimensional. A lente esférica não pode comprimir a folha de laser em um plano bidimensional real. A espessura mínima está na ordem do comprimento de onda da luz do laser e ocorre a uma distância finita da configuração óptica (o ponto focal da lente esférica). Este é o local ideal para colocar a área de análise do experimento.

A lente correta para a câmera também deve ser selecionada para focar e visualizar adequadamente as partículas dentro da área de investigação.

Sincronizador

O sincronizador atua como um gatilho externo para a (s) câmera (s) e o laser. Embora sistemas analógicos na forma de um fotossensor , abertura rotativa e uma fonte de luz tenham sido usados ​​no passado, a maioria dos sistemas em uso hoje é digital. Controlado por um computador, o sincronizador pode ditar o tempo de cada quadro da sequência da câmera CCD em conjunto com o disparo do laser com uma precisão de 1 ns. Assim, o tempo entre cada pulso do laser e a colocação do disparo do laser em referência ao tempo da câmera pode ser controlado com precisão. O conhecimento deste tempo é fundamental, pois é necessário determinar a velocidade do fluido na análise PIV. Os sincronizadores eletrônicos autônomos, chamados geradores de atraso digital , oferecem temporização de resolução variável de 250 ps a vários ms. Com até oito canais de temporização sincronizada, eles oferecem os meios para controlar várias lâmpadas de flash e interruptores Q, além de fornecer várias exposições de câmera.

Análise

Análise PIV de um par de vórtices. A ampliação no canto superior esquerdo mostra o aumento na resolução espacial que pode ser alcançado usando uma técnica moderna de deformação de janela de múltiplas passagens.

Os quadros são divididos em um grande número de áreas de interrogatório ou janelas. É então possível calcular um vetor de deslocamento para cada janela com a ajuda de processamento de sinal e técnicas de autocorrelação ou correlação cruzada . Isso é convertido em uma velocidade usando o tempo entre os disparos de laser e o tamanho físico de cada pixel da câmera. O tamanho da janela de interrogação deve ser escolhido para ter pelo menos 6 partículas por janela em média. Um exemplo visual de Análise PIV pode ser visto aqui.

O sincronizador controla o tempo entre as exposições de imagem e também permite que pares de imagens sejam adquiridos em vários momentos ao longo do fluxo. Para uma análise PIV precisa, é ideal que a região do fluxo de interesse exiba um deslocamento médio das partículas de cerca de 8 pixels. Este é um compromisso entre um espaçamento de tempo mais longo que permitiria às partículas viajarem mais entre os quadros, tornando mais difícil identificar qual janela de interrogação viajou para qual ponto, e um espaçamento de tempo mais curto, o que poderia tornar excessivamente difícil identificar qualquer deslocamento dentro o fluxo.

A luz espalhada de cada partícula deve ser em torno de 2 a 4 pixels na imagem. Se uma área muito grande for registrada, o tamanho da imagem da partícula cai e o bloqueio de pico pode ocorrer com perda de precisão de sub pixel. Existem métodos para superar o efeito de bloqueio de pico, mas eles requerem algum trabalho adicional.

Análise PIV de uma placa plana paralisada, taxa de cisalhamento sobreposta

Se houver experiência interna de PIV e tempo para desenvolver um sistema, mesmo que não seja trivial, é possível construir um sistema PIV customizado. Os sistemas PIV de nível de pesquisa, no entanto, têm lasers de alta potência e especificações de câmera de alta qualidade para serem capazes de fazer medições com o mais amplo espectro de experimentos necessários à pesquisa.

Um exemplo de análise PIV sem instalação [1]

O PIV está intimamente relacionado à correlação de imagem digital , uma técnica de medição de deslocamento óptico que usa técnicas de correlação para estudar a deformação de materiais sólidos.

Prós e contras

Vantagens

O método é, em grande parte, não intrusivo. Os traçadores adicionados (se forem escolhidos corretamente) geralmente causam distorção desprezível do fluxo de fluido.

A medição óptica evita a necessidade de tubos de Pitot , anemômetros hotwire ou outras sondas de medição de fluxo intrusivas . O método é capaz de medir uma seção transversal bidimensional inteira (geometria) do campo de fluxo simultaneamente.

O processamento de dados em alta velocidade permite a geração de um grande número de pares de imagens que, em um computador pessoal, podem ser analisados ​​em tempo real ou posteriormente, podendo ser obtida uma grande quantidade de informações quase contínuas.

Os valores de deslocamento de sub pixel permitem um alto grau de precisão, uma vez que cada vetor é a média estatística de muitas partículas em um bloco específico. O deslocamento normalmente pode ter uma precisão de até 10% de um pixel no plano da imagem.

Desvantagens

Em alguns casos, as partículas, devido à sua densidade mais alta, não seguem perfeitamente o movimento do fluido ( gás / líquido ). Se os experimentos forem feitos em água, por exemplo, é facilmente possível encontrar partículas muito baratas (por exemplo, pó de plástico com um diâmetro de ~ 60 µm) com a mesma densidade da água. Se a densidade ainda não se ajustar, a densidade do fluido pode ser ajustada aumentando / diminuindo sua temperatura. Isso leva a pequenas mudanças no número de Reynolds, de modo que a velocidade do fluido ou o tamanho do objeto experimental deve ser alterado para dar conta disso.

Os métodos de velocimetria de imagem de partícula em geral não serão capazes de medir os componentes ao longo do eixo z (em direção a / longe da câmera). Esses componentes podem não apenas ser perdidos, mas também podem introduzir uma interferência nos dados para os componentes x / y causada pela paralaxe. Esses problemas não existem no PIV estereoscópico, que usa duas câmeras para medir todos os três componentes de velocidade.

Uma vez que os vetores de velocidade resultantes são baseados na correlação cruzada das distribuições de intensidade em pequenas áreas do fluxo, o campo de velocidade resultante é uma representação de média espacial do campo de velocidade real. Isso obviamente tem consequências para a precisão das derivadas espaciais do campo de velocidade, vorticidade e funções de correlação espacial que geralmente são derivadas de campos de velocidade PIV.

Os sistemas PIV usados ​​em pesquisas costumam usar lasers de classe IV e câmeras de alta resolução e alta velocidade, que trazem restrições de custo e segurança.

Configurações PIV mais complexas

PIV estereoscópico

O PIV estereoscópico utiliza duas câmeras com ângulos de visão separados para extrair o deslocamento do eixo z. Ambas as câmeras devem estar focadas no mesmo ponto do fluxo e devem ser devidamente calibradas para ter o mesmo ponto em foco.

Na mecânica dos fluidos fundamental, o deslocamento dentro de uma unidade de tempo nas direções X, Y e Z são comumente definidos pelas variáveis ​​U, V e W. Como foi descrito anteriormente, o PIV básico extrai os deslocamentos U e V como funções do plano Direções X e Y. Isso permite que os cálculos de , , e gradientes de velocidade. No entanto, os outros 5 termos do tensor de gradiente de velocidade não podem ser encontrados a partir desta informação. A análise PIV estereoscópica também concede o componente de deslocamento do eixo Z, W, dentro desse plano. Isso não apenas concede a velocidade do eixo Z do fluido no plano de interesse, mas mais dois termos de gradiente de velocidade podem ser determinados: e . Os componentes do gradiente de velocidade , e não pode ser determinada. Os componentes do gradiente de velocidade formam o tensor:

PIV estereoscópico de plano duplo

Esta é uma expansão do PIV estereoscópico ao adicionar um segundo plano de investigação diretamente deslocado do primeiro. Quatro câmeras são necessárias para esta análise. Os dois planos de luz laser são criados pela divisão da emissão do laser com um divisor de feixe em dois feixes. Cada feixe é então polarizado ortogonalmente em relação um ao outro. Em seguida, eles são transmitidos através de um conjunto de óticas e usados ​​para iluminar um dos dois planos simultaneamente.

As quatro câmeras são emparelhadas em grupos de dois. Cada par se concentra em uma das folhas de laser da mesma maneira que o PIV estereoscópico de plano único. Cada uma das quatro câmeras possui um filtro polarizador projetado para deixar passar apenas a luz espalhada polarizada dos respectivos planos de interesse. Isso essencialmente cria um sistema pelo qual duas configurações de análise PIV estereoscópica separadas são executadas simultaneamente com apenas uma distância de separação mínima entre os planos de interesse.

Esta técnica permite a determinação dos três componentes gradiente de velocidade de plano único estereoscópico PIV não foi possível calcular: , , e . Com esta técnica, todo o tensor de gradiente de velocidade do fluido no plano bidimensional de interesse pode ser quantificado. Uma dificuldade surge no fato de que as folhas de laser devem ser mantidas próximas o suficiente para aproximarem um plano bidimensional, mas deslocadas o suficiente para que gradientes de velocidade significativos possam ser encontrados na direção z.

PIV estereoscópico multiplano

Existem várias extensões da ideia PIV estereoscópica de plano duplo disponíveis. Existe a opção de criar várias folhas de laser paralelas usando um conjunto de divisores de feixe e placas de quarto de onda, fornecendo três ou mais planos, usando uma única unidade de laser e configuração PIV estereoscópica, chamada XPIV

Micro PIV

Com o uso de um microscópio epifluorescente, os fluxos microscópicos podem ser analisados. MicroPIV faz uso de partículas fluorescentes que excitam em um comprimento de onda específico e emitem em outro comprimento de onda. A luz do laser é refletida por um espelho dicróico, viaja por uma lente objetiva que focaliza o ponto de interesse e ilumina um volume regional. A emissão das partículas, junto com a luz do laser refletida, volta a brilhar através da objetiva, do espelho dicróico e através de um filtro de emissão que bloqueia a luz do laser. Onde o PIV extrai suas propriedades de análise bidimensional da natureza plana da folha de laser, o microPIV utiliza a capacidade da lente objetiva de focar em apenas um plano de cada vez, criando assim um plano bidimensional de partículas visíveis.

As partículas MicroPIV têm diâmetro da ordem de várias centenas de nm, o que significa que são extremamente suscetíveis ao movimento browniano. Portanto, uma técnica especial de análise de média de conjunto deve ser utilizada para esta técnica. A correlação cruzada de uma série de análises básicas de PIV são calculadas em conjunto para determinar o campo de velocidade real. Assim, apenas fluxos estáveis ​​podem ser investigados. Técnicas especiais de pré-processamento também devem ser utilizadas, uma vez que as imagens tendem a ter um viés de deslocamento zero do ruído de fundo e baixas relações sinal-ruído. Normalmente, objetivas de alta abertura numérica também são usadas para capturar o máximo possível de emissão de luz. A escolha da óptica também é crítica pelas mesmas razões.

Holográfico PIV

O PIV holográfico (HPIV) engloba uma variedade de técnicas experimentais que usam a interferência da luz coerente espalhada por uma partícula e um feixe de referência para codificar informações da amplitude e fase da luz espalhada incidente em um plano sensor. Esta informação codificada, conhecida como holograma , pode então ser usada para reconstruir o campo de intensidade original iluminando o holograma com o feixe de referência original por meio de métodos ópticos ou aproximações digitais. O campo de intensidade é interrogado usando técnicas de correlação cruzada 3-D para produzir um campo de velocidade.

O HPIV fora do eixo usa feixes separados para fornecer o objeto e as ondas de referência. Esta configuração é usada para evitar que a forma de ruído speckle seja gerada a partir da interferência das duas ondas dentro do meio de espalhamento, o que ocorreria se ambas fossem propagadas através do meio. Um experimento fora do eixo é um sistema óptico altamente complexo que compreende vários elementos ópticos, e o leitor é referido a um esquema de exemplo em Sheng et al. para uma apresentação mais completa.

A holografia em linha é outra abordagem que oferece algumas vantagens exclusivas para imagens de partículas. Talvez o maior deles seja o uso de luz espalhada para frente, que é ordens de magnitude mais brilhante do que o espalhamento orientado normal à direção do feixe. Além disso, a configuração óptica de tais sistemas é muito mais simples porque a luz residual não precisa ser separada e recombinada em um local diferente. A configuração em linha também fornece uma extensão relativamente fácil para aplicar sensores CCD, criando uma classe separada de experimentos conhecida como holografia digital em linha. A complexidade de tais configurações muda da configuração ótica para o pós-processamento da imagem, que envolve o uso de feixes de referência simulados. Uma discussão mais aprofundada desses tópicos está além do escopo deste artigo e é tratada em Arroyo e Hinsch

Vários problemas degradam a qualidade dos resultados do HPIV. A primeira classe de questões envolve a própria reconstrução. Na holografia, a onda de objeto de uma partícula é tipicamente considerada esférica; no entanto, devido à teoria de espalhamento de Mie, essa onda é uma forma complexa que pode distorcer a partícula reconstruída. Outro problema é a presença de ruído pontilhado substancial, que reduz a relação sinal-ruído geral das imagens de partículas. Este efeito é de maior preocupação para sistemas holográficos em linha porque o feixe de referência é propagado através do volume junto com o feixe de objeto espalhado. O ruído também pode ser introduzido por meio de impurezas no meio de dispersão, como variações de temperatura e manchas nas janelas. Como a holografia requer imagens coerentes, esses efeitos são muito mais graves do que as condições de imagem tradicionais. A combinação desses fatores aumenta a complexidade do processo de correlação. Em particular, o ruído de manchas em uma gravação HPIV frequentemente impede o uso de métodos tradicionais de correlação com base em imagem. Em vez disso, a identificação e correlação de partícula única são implementadas, o que define limites na densidade do número de partícula. Um esboço mais abrangente dessas fontes de erro é fornecido em Meng et al.

À luz desses problemas, pode parecer que o HPIV é muito complicado e sujeito a erros para ser usado em medições de fluxo. No entanto, muitos resultados impressionantes foram obtidos com todas as abordagens holográficas. Svizher e Cohen usaram um sistema híbrido de HPIV para estudar a física de vórtices em gancho. Tao et al. investigou o alinhamento de tensores de vorticidade e taxa de deformação em turbulência de alto número de Reynolds. Como exemplo final, Sheng et al. usou microscopia holográfica para realizar medições próximas à parede de tensão de cisalhamento turbulenta e velocidade em camadas limite turbulentas.

Digitalizando PIV

Usando um espelho giratório, uma câmera de alta velocidade e corrigindo as mudanças geométricas, o PIV pode ser executado quase que instantaneamente em um conjunto de planos em todo o campo de fluxo. As propriedades do fluido entre os planos podem então ser interpoladas. Assim, uma análise quase volumétrica pode ser realizada em um volume alvo. A varredura PIV pode ser realizada em conjunto com os outros métodos PIV bidimensionais descritos para aproximar uma análise volumétrica tridimensional.

PIV tomográfico

O PIV tomográfico é baseado na iluminação, registro e reconstrução de partículas traçadoras em um volume de medição 3-D. A técnica usa várias câmeras para registrar visualizações simultâneas do volume iluminado, que é então reconstruído para produzir um campo de intensidade 3-D discretizado. Um par de campos de intensidade é analisado usando algoritmos de correlação cruzada 3-D para calcular o campo de velocidade 3-D, 3-C dentro do volume. A técnica foi desenvolvida originalmente por Elsinga et al. em 2006.

O procedimento de reconstrução é um problema inverso complexo subdeterminado. A principal complicação é que um único conjunto de visualizações pode resultar de um grande número de volumes 3D. Os procedimentos para determinar adequadamente o volume único de um conjunto de visualizações são a base para o campo da tomografia. Na maioria dos experimentos Tomo-PIV, a técnica de reconstrução algébrica multiplicativa (MART) é usada. A vantagem dessa técnica de reconstrução pixel a pixel é que ela evita a necessidade de identificar partículas individuais. Reconstruir o campo de intensidade 3-D discretizado é computacionalmente intensivo e, além do MART, vários desenvolvimentos buscaram reduzir significativamente esse gasto computacional, por exemplo, a técnica de reconstrução algébrica multiplicativa multiplicativa simultânea de múltiplas linhas de visão (MLOS-SMART) que tira proveito de a dispersão do campo de intensidade 3-D para reduzir o armazenamento de memória e os requisitos de cálculo.

Como regra geral, pelo menos quatro câmeras são necessárias para uma precisão de reconstrução aceitável e os melhores resultados são obtidos quando as câmeras são colocadas a aproximadamente 30 graus normais ao volume de medição. Muitos fatores adicionais são necessários para considerar um experimento bem-sucedido.

Tomo-PIV foi aplicado a uma ampla gama de fluxos. Os exemplos incluem a estrutura de uma camada limite turbulenta / interação de onda de choque, a vorticidade de uma esteira de cilindro ou aerofólio de inclinação, experimentos aeroacústicos de aerofólio de haste-aerofólio e para medir micro-fluxos em pequena escala. Mais recentemente, o Tomo-PIV foi usado junto com a velocimetria de rastreamento de partículas 3-D para entender as interações predador-presa, e a versão portátil do Tomo-PIV foi usada para estudar organismos nadadores únicos na Antártica.

PIV termográfico

O PIV termográfico é baseado no uso de fósforos termográficos como partículas de semeadura. O uso desses fósforos termográficos permite a medição simultânea de velocidade e temperatura em um fluxo.

Os fósforos termográficos consistem em materiais hospedeiros cerâmicos dopados com íons de terras raras ou metais de transição, que exibem fosforescência quando iluminados com luz ultravioleta. O tempo de decaimento e os espectros desta fosforescência são sensíveis à temperatura e oferecem dois métodos diferentes para medir a temperatura. O método do tempo de decaimento consiste no ajuste do decaimento da fosforescência a uma função exponencial e é normalmente usado em medições pontuais, embora tenha sido demonstrado em medições de superfície. A razão de intensidade entre duas linhas espectrais diferentes de emissão de fosforescência, rastreada usando filtros espectrais, também é dependente da temperatura e pode ser empregada para medições de superfície.

As partículas de fósforo de tamanho micrométrico usadas no PIV termográfico são semeadas no fluxo como um traçador e, após a iluminação com uma lâmina de luz laser fina, a temperatura das partículas pode ser medida a partir da fosforescência, normalmente usando uma técnica de razão de intensidade. É importante que as partículas sejam de tamanho pequeno para que não apenas sigam o fluxo de forma satisfatória, mas também assumam rapidamente sua temperatura. Para um diâmetro de 2 µm, o deslizamento térmico entre a partícula e o gás é tão pequeno quanto o deslizamento de velocidade.

A iluminação do fósforo é obtida usando luz ultravioleta. A maioria dos fósforos termográficos absorve luz em uma banda larga no UV e, portanto, pode ser excitada usando um laser YAG: Nd. Teoricamente, a mesma luz pode ser usada tanto para medições de PIV quanto de temperatura, mas isso significaria que câmeras sensíveis a UV são necessárias. Na prática, dois feixes diferentes originados em lasers separados são sobrepostos. Enquanto um dos feixes é usado para medições de velocidade, o outro é usado para medir a temperatura.

O uso de fósforos termográficos oferece algumas características vantajosas, incluindo a capacidade de sobreviver em ambientes reativos e de alta temperatura, estabilidade química e insensibilidade de sua emissão de fosforescência à pressão e composição do gás. Além disso, os fósforos termográficos emitem luz em diferentes comprimentos de onda, permitindo a discriminação espectral contra luz de excitação e fundo.

O PIV termográfico foi demonstrado para medições de média de tempo e de disparo único. Recentemente, também as medições de alta velocidade resolvidas no tempo (3 kHz) foram realizadas com sucesso.

Inteligência Artificial PIV

Com o desenvolvimento da inteligência artificial, surgiram publicações científicas e softwares comerciais propondo cálculos PIV baseados em aprendizado profundo e redes neurais convolucionais. A metodologia utilizada deriva principalmente de redes neurais de fluxo óptico populares em visão de máquina. Um conjunto de dados que inclui imagens de partículas é gerado para treinar os parâmetros das redes. O resultado é uma rede neural profunda para PIV que pode fornecer estimativa de movimento denso, até um máximo de um vetor para um pixel, se as imagens gravadas permitirem. AI PIV promete um campo de velocidade denso, não limitado pelo tamanho da janela de interrogação, que limita o PIV tradicional a um vetor por 16 x 16 pixels.


Processamento em tempo real e aplicações de PIV

Com o avanço das tecnologias digitais, o processamento em tempo real e as aplicações do PIV tornaram-se possíveis. Por exemplo, as GPUs podem ser usadas para acelerar substancialmente as correlações diretas com base na transformada de Fourier de janelas de interrogação simples. Da mesma forma, processos de multiprocessamento, paralelos ou multi-threading em várias CPUs ou CPUs multi-core são benéficos para o processamento distribuído de múltiplas janelas de interrogação ou múltiplas imagens. Alguns dos aplicativos usam métodos de processamento de imagem em tempo real, como FPGA com base em compactação de imagem instantânea ou processamento de imagem. Mais recentemente, os recursos de medição e processamento em tempo real do PIV foram implementados para uso futuro no controle de fluxo ativo com feedback baseado em fluxo.

Formulários

O PIV tem sido aplicado a uma ampla gama de problemas de fluxo, variando desde o fluxo sobre uma asa de aeronave em um túnel de vento até a formação de vórtices em válvulas cardíacas protéticas. Técnicas tridimensionais têm sido buscadas para analisar escoamentos turbulentos e jatos.

Algoritmos rudimentares de PIV baseados em correlação cruzada podem ser implementados em questão de horas, enquanto algoritmos mais sofisticados podem exigir um investimento significativo de tempo. Várias implementações de código aberto estão disponíveis. A aplicação do PIV no sistema educacional dos EUA tem sido limitada devido ao alto preço e às preocupações com a segurança dos sistemas PIV de grau de pesquisa industrial.

PIV granular: medição de velocidade em fluxos granulares e avalanches

O PIV também pode ser usado para medir o campo de velocidade da superfície livre e do limite basal em fluxos granulares, como aqueles em recipientes agitados, copos e avalanches. Essa análise é particularmente adequada para meios não transparentes, como areia, cascalho, quartzo ou outros materiais granulares comuns em geofísica. Essa abordagem PIV é chamada de "PIV granular". A configuração para PIV granular difere da configuração PIV usual em que a estrutura da superfície óptica que é produzida pela iluminação da superfície do fluxo granular já é suficiente para detectar o movimento. Isso significa que não é necessário adicionar partículas de traçador no material a granel.

Veja também

Bibliografia

  • Raffel, M .; Willert, C .; Wereley, S .; Kompenhans, J. (2007). Velocimetria de imagens de partículas: um guia prático . Springer-Verlag . ISBN 978-3-540-72307-3.
  • Adrian, RJ; Westerweel, J. (2011). Velocimetria de imagem de partícula . Cambridge University Press . ISBN 978-0-521-44008-0.

Notas

Referências

links externos

Teste e medição em Curlie

Pesquisa PIV no Laboratório de Dinâmica de Fluidos Experimental ( J. Katz lab)