Velocimetria de rastreamento de partículas - Particle tracking velocimetry

Velocimetria de rastreamento de partículas ( PTV ) é um método de velocimetria , ou seja, uma técnica para medir velocidades e trajetórias de objetos em movimento. Na pesquisa de mecânica dos fluidos, esses objetos são partículas com flutuabilidade neutra que estão suspensas no fluxo do fluido. Como o nome sugere, partículas individuais são rastreadas, então esta técnica é uma abordagem Lagrangiana, em contraste com a velocimetria de imagem de partículas (PIV), que é um método euleriano que mede a velocidade do fluido quando ele passa pelo ponto de observação, que é fixo no espaço. Existem dois métodos experimentais de PTV:

  • o PTV bidimensional (2-D). As medições são feitas em uma fatia 2-D, iluminada por uma fina folha de laser (um plano fino); uma baixa densidade de partículas semeadas permite rastrear cada uma delas individualmente por vários quadros.
  • a velocimetria de rastreamento de partículas tridimensional (PTV 3-D) é uma técnica experimental distinta originalmente desenvolvida para estudar fluxos totalmente turbulentos. Ele agora está sendo amplamente utilizado em várias disciplinas, desde a pesquisa em mecânica estrutural até a medicina e ambientes industriais. É baseado em um sistema de múltiplas câmeras em um arranjo estereoscópico, iluminação tridimensional de um volume de observação, registro da seqüência de tempo de imagens estereoscópicas de alvos ópticos (flow tracers iluminados por partículas), determinando sua posição 3-D instantânea no espaço pelo uso de técnicas fotogramétricas e rastreando seu movimento no tempo, obtendo assim um conjunto de trajetórias 3-D dos alvos ópticos. A Velocimetria de Rastreamento de Partículas tridimensional com resolução no tempo é conhecida como 4D-PTV.

Descrição

A velocimetria de rastreamento de partículas 3-D (PTV) pertence à classe das técnicas de velocimetria de campo total utilizadas no estudo de escoamentos turbulentos, permitindo a determinação de velocidades instantâneas e distribuições de vorticidade em duas ou três dimensões espaciais. 3-D PTV produz uma série de tempo de vetores de velocidade de 3 componentes instantâneos na forma de trajetórias de elementos de fluido. A qualquer momento, a densidade de dados pode facilmente exceder 10 vetores de velocidade por centímetro cúbico. O método é baseado em imagens estereoscópicas (usando 2 a 4 câmeras) e registro sincronizado do movimento dos traçadores de fluxo, ou seja, pequenas partículas suspensas no fluxo, iluminadas por uma fonte de luz estroboscópica. As coordenadas de partículas 3-D em função do tempo são então derivadas pelo uso de imagem e análise fotogramétrica de cada conjunto estereoscópico de quadros. As posições das partículas 3-D são rastreadas no domínio do tempo para derivar as trajetórias das partículas. A capacidade de seguir (rastrear) um conjunto espacialmente denso de partículas individuais por um período de tempo suficientemente longo e de realizar análises estatísticas de suas propriedades permite uma descrição Lagrangiana do processo de fluxo turbulento. Esta é uma vantagem exclusiva do método PTV 3-D.

Uma implementação típica do 3D-PTV consiste em duas, três ou quatro câmeras digitais, instaladas em uma configuração angular e registrando de forma síncrona a luz difratada ou fluorescente dos traçadores semeados no fluxo. O fluxo é iluminado por um feixe de laser colimado ou por outra fonte de luz que costuma ser estroboscópica, sincronizadamente com a taxa de quadros da câmera, para reduzir o tempo de exposição efetivo dos alvos óticos em movimento e "congelar" sua posição em cada quadro. Não há restrição para que a luz seja coerente ou monocromática ; apenas sua iluminância deve ser suficiente para obter imagens das partículas traçadoras no volume observacional. Partículas ou rastreadores podem ser fluorescentes , difrativos , rastreados por tantos quadros consecutivos quanto possível e em tantas câmeras quanto possível para maximizar a precisão de posicionamento. Em princípio, duas câmeras em configuração estereoscópica são suficientes para determinar as três coordenadas de uma partícula no espaço, mas na maioria das situações práticas três ou quatro câmeras são usadas para atingir uma precisão de posicionamento 3-D satisfatória, bem como aumentar o rendimento da trajetória ao estudar fluxos totalmente turbulentos.

Esquemas 3D-PTV

Existem várias versões de esquemas 3D-PTV. A maioria deles utiliza 3 CCDs ou 4 CCDs.

Esquemas de processamento de imagem em tempo real

O uso de luz branca para iluminar o volume de observação, em vez da iluminação baseada em laser, reduz substancialmente os custos e os requisitos de saúde e segurança. O desenvolvimento inicial do método 3-D PTV começou como um projeto conjunto entre o Instituto de Geodésia e Fotogrametria e o Instituto de Hidráulica de ETH Zurique. Outros desenvolvimentos da técnica incluem processamento de imagem em tempo real usando chip FPGA na câmera.

Veja também

Referências

  1. ^ Método de Velocimetria de Rastreamento de Partículas 3D: Análise de Avanços e Erro Arquivado em 5 de julho de 2008, na Wayback Machine
  2. ^ Velocimetria de rastreamento de partículas 3-D
  3. ^ Kreizer, Mark; Ratner, David; Liberzon, Alex (2010). "Processamento de imagens em tempo real para velocimetria de rastreamento de partículas". ExFl . 48 (1): 105-110. Bibcode : 2010ExFl ... 48..105K . doi : 10.1007 / s00348-009-0715-5 . ISSN  0723-4864 .
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