La velocimetría de imágenes de partículas ( PIV ) es un método óptico de visualización de flujo utilizado en educación [1] e investigación. [2] [3] [4] [5] [6] Se utiliza para obtener mediciones instantáneas de velocidad y propiedades relacionadas en fluidos . El fluido se siembra con partículas trazadoras que, para partículas suficientemente pequeñas, se supone que siguen fielmente la dinámica del flujo (el grado en el que las partículas siguen fielmente el flujo está representado por el número de Stokes ). El fluido con partículas arrastradas se ilumina para que las partículas sean visibles. El movimiento de las partículas de siembra se utiliza para calcular la velocidad y la dirección (el campo de velocidad ) del flujo que se está estudiando.
Otras técnicas utilizadas para medir flujos son la velocimetría láser Doppler y la anemometría de hilo caliente . La principal diferencia entre la PIV y esas técnicas es que la PIV produce campos vectoriales bidimensionales o incluso tridimensionales , mientras que las otras técnicas miden la velocidad en un punto. Durante la PIV, la concentración de partículas es tal que es posible identificar partículas individuales en una imagen, pero no con certeza rastrearla entre imágenes. Cuando la concentración de partículas es tan baja que es posible seguir una partícula individual se denomina velocimetría de seguimiento de partículas , mientras que la velocimetría de moteado láser se utiliza para los casos en los que la concentración de partículas es tan alta que es difícil observar partículas individuales en una imagen.
Un aparato PIV típico consta de una cámara (normalmente una cámara digital con un chip de dispositivo acoplado a carga (CCD) en los sistemas modernos), un estroboscopio o láser con un dispositivo óptico para limitar la región física iluminada (normalmente una lente cilíndrica para convertir un haz de luz en una línea), un sincronizador que actúa como un disparador externo para controlar la cámara y el láser, las partículas de siembra y el fluido bajo investigación. Un cable de fibra óptica o una guía de luz líquida pueden conectar el láser a la configuración de la lente. Se utiliza un software PIV para posprocesar las imágenes ópticas. [7] [8]
La velocimetría por imágenes de partículas (PIV) es una técnica de medición de flujo óptico no intrusiva que se utiliza para estudiar los patrones y velocidades del flujo de fluidos . La PIV ha encontrado aplicaciones generalizadas en varios campos de la ciencia y la ingeniería, incluidos la aerodinámica , la combustión, la oceanografía y los biofluidos . El desarrollo de la PIV se remonta a principios del siglo XX, cuando los investigadores comenzaron a explorar diferentes métodos para visualizar y medir el flujo de fluidos.
Los primeros días de PIV se pueden atribuir al trabajo pionero de Ludwig Prandtl , un físico e ingeniero alemán, a quien a menudo se considera el padre de la aerodinámica moderna. En la década de 1920, Prandtl y sus colegas utilizaron técnicas de gráficos de sombras y Schlieren para visualizar y medir patrones de flujo en túneles de viento . Estos métodos se basaban en las diferencias de índice de refracción entre las regiones de fluido de interés y el medio circundante para generar contraste en las imágenes. Sin embargo, estos métodos se limitaban a observaciones cualitativas y no proporcionaban mediciones de velocidad cuantitativas.
Los primeros sistemas PIV eran relativamente simples y utilizaban película fotográfica como medio de registro de imágenes. Se utilizaba un láser para iluminar partículas, como gotas de aceite o humo, añadidas al flujo, y el movimiento de partículas resultante se capturaba en película. Las películas se revelaban y analizaban para obtener información sobre la velocidad del flujo. Estos primeros sistemas PIV tenían una resolución espacial limitada y requerían mucho trabajo, pero proporcionaban información valiosa sobre el comportamiento del flujo de fluidos.
La llegada de los láseres en la década de 1960 revolucionó el campo de la visualización y medición de flujos. Los láseres proporcionaban una fuente de luz coherente y monocromática que se podía enfocar y dirigir fácilmente, lo que los hacía ideales para el diagnóstico óptico de flujos. A finales de la década de 1960 y principios de la de 1970, investigadores como Arthur L. Lavoie, Hervé LJH Scohier y Adrian Fouriaux propusieron de forma independiente el concepto de velocimetría de imágenes de partículas (PIV). La PIV se utilizó inicialmente para estudiar los flujos de aire y medir las velocidades del viento, pero sus aplicaciones pronto se extendieron a otras áreas de la dinámica de fluidos .
En la década de 1980, el desarrollo de dispositivos acoplados a carga (CCD) y técnicas de procesamiento de imágenes digitales revolucionaron la PIV. Las cámaras CCD reemplazaron a la película fotográfica como medio de grabación de imágenes, proporcionando una mayor resolución espacial , adquisición de datos más rápida y capacidades de procesamiento en tiempo real. Las técnicas de procesamiento de imágenes digitales permitieron un análisis preciso y automatizado de las imágenes PIV, lo que redujo en gran medida el tiempo y el esfuerzo necesarios para el análisis de datos.
La aparición de las capacidades de procesamiento de imágenes digitales y de computadoras en los años 1980 y 1990 revolucionó la PIV, lo que llevó al desarrollo de técnicas PIV avanzadas, como la PIV de múltiples cuadros, la PIV estereoscópica y la PIV con resolución temporal. Estas técnicas permitieron una mayor precisión, una mayor resolución espacial y temporal y mediciones tridimensionales, lo que amplió las capacidades de la PIV y permitió su aplicación en sistemas de flujo más complejos.
En las décadas siguientes, la PIV siguió evolucionando y avanzando en varias áreas clave. Un avance significativo fue el uso de exposiciones duales o múltiples en la PIV, que permitió la medición de campos de velocidad tanto instantáneos como promediados en el tiempo. La PIV de exposición dual (a menudo denominada "PIV estéreo" o "PIV estéreo") utiliza dos cámaras para capturar dos imágenes consecutivas con un retraso de tiempo conocido, lo que permite la medición de vectores de velocidad de tres componentes en un plano. Esto proporcionó una imagen más completa del campo de flujo y permitió el estudio de flujos complejos, como la turbulencia y los vórtices.
En la década de 2000 y más allá, la PIV continuó evolucionando con el desarrollo de láseres de alta potencia, cámaras de alta velocidad y algoritmos avanzados de análisis de imágenes. Estos avances han permitido que la PIV se utilice en condiciones extremas, como flujos de alta velocidad, sistemas de combustión y flujos a microescala, abriendo nuevas fronteras para la investigación de la PIV. La PIV también se ha integrado con otras técnicas de medición, como mediciones de temperatura y concentración, y se ha utilizado en campos emergentes, como flujos a microescala y nanoescala, flujos granulares y fabricación aditiva.
El avance de la PIV ha sido impulsado por el desarrollo de nuevas fuentes láser, cámaras y técnicas de análisis de imágenes. Los avances en la tecnología láser han llevado al uso de láseres de alta potencia, como los láseres Nd:YAG y los láseres de diodo , que proporcionan una mayor intensidad de iluminación y permiten realizar mediciones en entornos más desafiantes, como flujos de alta velocidad y sistemas de combustión. También se han desarrollado cámaras de alta velocidad con sensibilidad y velocidades de cuadro mejoradas, lo que permite la captura de fenómenos de flujo transitorio con alta resolución temporal. Además, se han desarrollado técnicas avanzadas de análisis de imágenes, como algoritmos basados en correlación, métodos basados en fase y algoritmos de aprendizaje automático , para mejorar la precisión y la eficiencia de las mediciones de PIV.
Otro avance importante en PIV fue el desarrollo de algoritmos de correlación digital para el análisis de imágenes . Estos algoritmos permitieron un procesamiento más preciso y eficiente de las imágenes PIV, lo que permitió una mayor resolución espacial y velocidades de adquisición de datos más rápidas. Se desarrollaron y utilizaron ampliamente en la investigación de PIV varios algoritmos de correlación, como la correlación cruzada , la correlación basada en la transformada de Fourier y la correlación adaptativa.
La PIV también se ha beneficiado del desarrollo de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), que se han convertido en herramientas poderosas para predecir y analizar el comportamiento del flujo de fluidos. Los datos de PIV se pueden utilizar para validar y calibrar simulaciones de CFD y, a su vez, las simulaciones de CFD pueden proporcionar información sobre la interpretación y el análisis de los datos de PIV. La combinación de mediciones experimentales de PIV y simulaciones numéricas ha permitido a los investigadores obtener una comprensión más profunda de los fenómenos del flujo de fluidos y ha dado lugar a nuevos descubrimientos y avances en varios campos científicos y de ingeniería.
Además de los avances técnicos, la PIV también se ha integrado con otras técnicas de medición, como las mediciones de temperatura y concentración, para proporcionar mediciones de flujo más completas y multiparamétricas. Por ejemplo, la combinación de PIV con fósforos termográficos o fluorescencia inducida por láser permite la medición simultánea de campos de velocidad y temperatura o concentración, lo que proporciona datos valiosos para estudiar la transferencia de calor , la mezcla y las reacciones químicas en flujos de fluidos.
El desarrollo histórico de la PIV ha sido impulsado por la necesidad de mediciones de flujo precisas y no intrusivas en varios campos de la ciencia y la ingeniería. Los primeros años de la PIV estuvieron marcados por el desarrollo de técnicas básicas de PIV, como la PIV de dos cuadros, y la aplicación de la PIV en la investigación fundamental de dinámica de fluidos, principalmente en entornos académicos. A medida que la PIV ganó popularidad, los investigadores comenzaron a utilizarla en aplicaciones más prácticas, como la aerodinámica, la combustión y la oceanografía.
A medida que la PIV siga avanzando y evolucionando, se espera que encuentre más aplicaciones en una amplia gama de campos, desde la investigación fundamental en dinámica de fluidos hasta aplicaciones prácticas en ingeniería, ciencias ambientales y medicina. El desarrollo continuo de las técnicas de PIV, incluidos los avances en láseres, cámaras, algoritmos de análisis de imágenes y la integración con otras técnicas de medición, mejorará aún más sus capacidades y ampliará sus aplicaciones.
En aerodinámica, el PIV se ha utilizado para estudiar el flujo sobre alas de aeronaves, palas de rotor y otras superficies aerodinámicas, proporcionando información sobre el comportamiento del flujo y el rendimiento aerodinámico de estos sistemas.
A medida que la PIV ganó popularidad, encontró aplicaciones en una amplia gama de campos más allá de la aerodinámica, incluida la combustión, la oceanografía, los biofluidos y los flujos a microescala. En la investigación de la combustión, la PIV se ha utilizado para estudiar los detalles de los procesos de combustión, como la propagación de la llama, la ignición y la dinámica de la pulverización de combustible, lo que proporciona información valiosa sobre las complejas interacciones entre el combustible y el aire en los sistemas de combustión. En oceanografía, la PIV se ha utilizado para estudiar el movimiento de las corrientes de agua, las olas y la turbulencia, lo que ayuda a comprender los patrones de circulación oceánica y la erosión costera. En la investigación de los biofluidos, la PIV se ha aplicado para estudiar el flujo sanguíneo en arterias y venas, el flujo respiratorio y el movimiento de los cilios y flagelos en microorganismos, lo que proporciona información importante para comprender los procesos fisiológicos y los mecanismos de las enfermedades.
PIV también se ha utilizado en campos nuevos y emergentes, como flujos a microescala y nanoescala , flujos granulares y flujos multifásicos . Micro-PIV y nano-PIV se han utilizado para estudiar flujos en microcanales , nanoporos y sistemas biológicos a microescala y nanoescala, proporcionando información sobre los comportamientos únicos de los fluidos en estas escalas de longitud. PIV se ha aplicado para estudiar el movimiento de partículas en flujos granulares, como avalanchas y deslizamientos de tierra, y para investigar flujos multifásicos, como flujos burbujeantes y flujos de aceite-agua, que son importantes en procesos ambientales e industriales. En flujos a microescala, las técnicas de medición convencionales son difíciles de aplicar debido a las pequeñas escalas de longitud involucradas. Micro-PIV se ha utilizado para estudiar flujos en dispositivos microfluídicos, como sistemas de laboratorio en un chip , y para investigar fenómenos como la formación de gotas, la mezcla y el movimiento celular, con aplicaciones en la administración de fármacos , diagnósticos biomédicos e ingeniería a microescala.
El PIV también ha encontrado aplicaciones en procesos de fabricación avanzados, como la fabricación aditiva, donde comprender y optimizar el comportamiento del flujo de fluidos es fundamental para lograr productos de alta calidad y alta precisión. El PIV se ha utilizado para estudiar la dinámica del flujo de gases, líquidos y polvos en procesos de fabricación aditiva, lo que proporciona información sobre los parámetros del proceso que afectan la calidad y las propiedades de los productos fabricados.
La PIV también se ha utilizado en ciencias ambientales para estudiar la dispersión de contaminantes en el aire y el agua, el transporte de sedimentos en ríos y áreas costeras y el comportamiento de los contaminantes en sistemas naturales y artificiales. En la investigación energética, la PIV se ha utilizado para estudiar el comportamiento del flujo en turbinas eólicas , plantas de energía hidroeléctrica y procesos de combustión en motores y turbinas, ayudando al desarrollo de sistemas energéticos más eficientes y respetuosos con el medio ambiente .
Las partículas de siembra son un componente inherentemente crítico del sistema PIV. Dependiendo del fluido bajo investigación, las partículas deben poder coincidir con las propiedades del fluido razonablemente bien. De lo contrario, no seguirán el flujo lo suficientemente satisfactoriamente como para que el análisis PIV se considere preciso. Las partículas ideales tendrán la misma densidad que el sistema de fluido que se esté utilizando y serán esféricas (estas partículas se denominan microesferas ). Si bien la elección de partículas reales depende de la naturaleza del fluido, generalmente para las investigaciones PIV macro son perlas de vidrio , poliestireno , polietileno , escamas de aluminio o gotas de aceite (si el fluido bajo investigación es un gas ). El índice de refracción de las partículas de siembra debe ser diferente del fluido que están sembrando, de modo que la lámina láser incidente en el flujo de fluido se refleje en las partículas y se disperse hacia la cámara.
Las partículas tienen típicamente un diámetro del orden de 10 a 100 micrómetros. En cuanto al tamaño, las partículas deben ser lo suficientemente pequeñas para que el tiempo de respuesta de las partículas al movimiento del fluido sea razonablemente corto para seguir con precisión el flujo, pero lo suficientemente grandes para dispersar una cantidad significativa de la luz láser incidente. Para algunos experimentos que involucran combustión, el tamaño de partícula de siembra puede ser menor, del orden de 1 micrómetro, para evitar el efecto de extinción que las partículas inertes pueden tener sobre las llamas. Debido al pequeño tamaño de las partículas, el movimiento de las partículas está dominado por el arrastre de Stokes y los efectos de asentamiento o ascenso. En un modelo donde las partículas se modelan como esféricas ( microesferas ) a un número de Reynolds muy bajo , la capacidad de las partículas para seguir el flujo del fluido es inversamente proporcional a la diferencia de densidad entre las partículas y el fluido, y también inversamente proporcional al cuadrado de su diámetro. La luz dispersada por las partículas está dominada por la dispersión de Mie y, por lo tanto, también es proporcional al cuadrado de los diámetros de las partículas. Por lo tanto, el tamaño de las partículas debe equilibrarse para dispersar suficiente luz para visualizar con precisión todas las partículas dentro del plano de la lámina láser, pero lo suficientemente pequeña para seguir el flujo con precisión.
El mecanismo de siembra también debe diseñarse de manera que siembre el flujo en un grado suficiente sin perturbarlo excesivamente.
Para realizar un análisis PIV del flujo, se requieren dos exposiciones de luz láser sobre la cámara desde el flujo. Originalmente, debido a la incapacidad de las cámaras para capturar múltiples fotogramas a altas velocidades, ambas exposiciones se capturaban en el mismo fotograma y este único fotograma se usaba para determinar el flujo. Para este análisis se utilizó un proceso llamado autocorrelación . Sin embargo, como resultado de la autocorrelación, la dirección del flujo se vuelve confusa, ya que no está claro qué puntos de partículas son del primer pulso y cuáles del segundo. Desde entonces, se desarrollaron cámaras digitales más rápidas que utilizan chips CCD o CMOS que pueden capturar dos fotogramas a alta velocidad con una diferencia de unos pocos cientos de ns entre los fotogramas. Esto ha permitido aislar cada exposición en su propio fotograma para un análisis de correlación cruzada más preciso . La limitación de las cámaras típicas es que esta alta velocidad está limitada a un par de disparos. Esto se debe a que cada par de disparos debe transferirse a la computadora antes de que se pueda tomar otro par de disparos. Las cámaras típicas solo pueden tomar un par de disparos a una velocidad mucho más lenta. Existen cámaras CCD o CMOS de alta velocidad, pero son mucho más caras.
En las configuraciones PIV macro, los láseres son predominantes debido a su capacidad de producir haces de luz de alta potencia con duraciones de pulso cortas. Esto produce tiempos de exposición cortos para cada cuadro. Los láseres Nd:YAG , comúnmente utilizados en configuraciones PIV, emiten principalmente a una longitud de onda de 1064 nm y sus armónicos (532, 266, etc.). Por razones de seguridad, la emisión del láser generalmente se filtra con un paso de banda para aislar los armónicos de 532 nm (esta es la luz verde, el único armónico que se puede ver a simple vista). Se puede utilizar un cable de fibra óptica o una guía de luz líquida para dirigir la luz del láser a la configuración experimental.
La óptica consta de una combinación de lente esférica y lente cilíndrica . La lente cilíndrica expande el láser en un plano mientras que la lente esférica comprime el plano en una lámina delgada. Esto es fundamental ya que la técnica PIV generalmente no puede medir el movimiento normal a la lámina láser y, por lo tanto, lo ideal es eliminarlo manteniendo una lámina láser completamente bidimensional. La lente esférica no puede comprimir la lámina láser en un plano bidimensional real. El espesor mínimo es del orden de la longitud de onda de la luz láser y se produce a una distancia finita de la configuración óptica (el punto focal de la lente esférica). Esta es la ubicación ideal para colocar el área de análisis del experimento.
También se debe seleccionar la lente correcta para la cámara para enfocar y visualizar adecuadamente las partículas dentro del área de investigación.
El sincronizador actúa como un disparador externo tanto para la(s) cámara(s) como para el láser. Si bien en el pasado se han utilizado sistemas analógicos en forma de fotosensor , apertura giratoria y fuente de luz, la mayoría de los sistemas que se utilizan hoy en día son digitales. Controlado por una computadora, el sincronizador puede dictar la sincronización de cada fotograma de la secuencia de la cámara CCD junto con el disparo del láser con una precisión de 1 ns. De este modo, se puede controlar con precisión el tiempo entre cada pulso del láser y la colocación del disparo del láser en referencia a la sincronización de la cámara. El conocimiento de esta sincronización es fundamental, ya que es necesario para determinar la velocidad del fluido en el análisis PIV. Los sincronizadores electrónicos independientes, llamados generadores de retardo digital , ofrecen una sincronización de resolución variable desde tan solo 250 ps hasta varios ms. Con hasta ocho canales de sincronización sincronizada, ofrecen los medios para controlar varias lámparas de flash e interruptores Q, así como para proporcionar exposiciones de múltiples cámaras.
Los fotogramas se dividen en una gran cantidad de áreas de interrogación o ventanas. A continuación, es posible calcular un vector de desplazamiento para cada ventana con la ayuda del procesamiento de señales y técnicas de autocorrelación o correlación cruzada . Esto se convierte en una velocidad utilizando el tiempo entre disparos láser y el tamaño físico de cada píxel de la cámara. El tamaño de la ventana de interrogación debe elegirse para tener al menos 6 partículas por ventana en promedio. Aquí se puede ver un ejemplo visual del análisis PIV.
El sincronizador controla el tiempo entre las exposiciones de imágenes y también permite adquirir pares de imágenes en distintos momentos a lo largo del flujo. Para un análisis PIV preciso, lo ideal es que la región del flujo que es de interés muestre un desplazamiento de partículas promedio de aproximadamente 8 píxeles. Este es un compromiso entre un espaciado de tiempo más largo que permitiría que las partículas se desplacen más lejos entre fotogramas, lo que dificultaría la identificación de qué ventana de interrogación se desplazó a qué punto, y un espaciado de tiempo más corto, que podría dificultar excesivamente la identificación de cualquier desplazamiento dentro del flujo.
La luz dispersada de cada partícula debe tener entre 2 y 4 píxeles de ancho en la imagen. Si se registra un área demasiado grande, el tamaño de la imagen de las partículas disminuye y puede producirse un bloqueo de picos con pérdida de precisión de subpíxeles. Existen métodos para superar el efecto de bloqueo de picos, pero requieren un trabajo adicional.
Si se cuenta con experiencia interna en PIV y tiempo para desarrollar un sistema, aunque no sea algo trivial, es posible construir un sistema PIV personalizado. Sin embargo, los sistemas PIV de grado de investigación tienen láseres de alta potencia y especificaciones de cámara de alta gama para poder tomar mediciones con el espectro más amplio de experimentos requeridos en la investigación.
Un ejemplo de análisis PIV sin instalación: [1]
PIV está estrechamente relacionado con la correlación de imágenes digitales , una técnica de medición de desplazamiento óptico que utiliza técnicas de correlación para estudiar la deformación de materiales sólidos.
El método es, en gran medida, no intrusivo. Los trazadores añadidos (si se eligen adecuadamente) generalmente causan una distorsión insignificante del flujo del fluido. [9]
La medición óptica evita la necesidad de tubos de Pitot , anemómetros de hilo caliente u otras sondas de medición de flujo intrusivas . El método es capaz de medir una sección transversal bidimensional completa ( geometría) del campo de flujo simultáneamente.
El procesamiento de datos a alta velocidad permite generar grandes cantidades de pares de imágenes que, en una computadora personal, pueden analizarse en tiempo real o en un momento posterior, y puede obtenerse una gran cantidad de información casi continua.
Los valores de desplazamiento de subpíxeles permiten un alto grado de precisión, ya que cada vector es el promedio estadístico de muchas partículas dentro de un mosaico en particular. El desplazamiento puede tener una precisión de hasta el 10 % de un píxel en el plano de la imagen.
En algunos casos, las partículas, debido a su mayor densidad, no seguirán perfectamente el movimiento del fluido ( gas / líquido ). Si los experimentos se realizan en agua, por ejemplo, es fácil encontrar partículas muy baratas (por ejemplo, polvo de plástico con un diámetro de ~60 μm) con la misma densidad que el agua. Si la densidad aún no se ajusta, la densidad del fluido se puede ajustar aumentando o disminuyendo su temperatura. Esto produce ligeros cambios en el número de Reynolds, por lo que la velocidad del fluido o el tamaño del objeto experimental deben modificarse para tener esto en cuenta.
En general, los métodos de velocimetría de imágenes de partículas no podrán medir los componentes a lo largo del eje z (hacia/desde la cámara). Estos componentes no solo podrían pasarse por alto, sino que también podrían introducir una interferencia en los datos de los componentes x/y causada por el paralaje. Estos problemas no existen en la PIV estereoscópica, que utiliza dos cámaras para medir los tres componentes de velocidad.
Dado que los vectores de velocidad resultantes se basan en la correlación cruzada de las distribuciones de intensidad en áreas pequeñas del flujo, el campo de velocidad resultante es una representación promediada espacialmente del campo de velocidad real. Obviamente, esto tiene consecuencias para la precisión de las derivadas espaciales del campo de velocidad, la vorticidad y las funciones de correlación espacial que a menudo se derivan de los campos de velocidad PIV.
Los sistemas PIV utilizados en investigación a menudo utilizan láseres de clase IV y cámaras de alta resolución y alta velocidad, lo que conlleva limitaciones de costo y seguridad.
La PIV estereoscópica utiliza dos cámaras con ángulos de visión separados para extraer el desplazamiento del eje z. Ambas cámaras deben estar enfocadas en el mismo punto del flujo y deben estar calibradas correctamente para tener el mismo punto en foco.
En mecánica de fluidos fundamental, el desplazamiento dentro de una unidad de tiempo en las direcciones X, Y y Z se definen comúnmente por las variables U, V y W. Como se describió anteriormente, el PIV básico extrae los desplazamientos U y V como funciones de las direcciones X e Y en el plano. Esto permite los cálculos de los gradientes de velocidad , y . Sin embargo, los otros 5 términos del tensor de gradiente de velocidad no se pueden encontrar a partir de esta información. El análisis PIV estereoscópico también otorga el componente de desplazamiento del eje Z, W, dentro de ese plano. Esto no solo otorga la velocidad del eje Z del fluido en el plano de interés, sino que también se pueden determinar dos términos más del gradiente de velocidad: y . Los componentes del gradiente de velocidad , y no se pueden determinar. Los componentes del gradiente de velocidad forman el tensor:
Se trata de una ampliación del PIV estereoscópico mediante la adición de un segundo plano de investigación directamente desplazado del primero. Para este análisis se necesitan cuatro cámaras. Los dos planos de luz láser se crean dividiendo la emisión láser con un divisor de haz en dos haces. A continuación, cada haz se polariza ortogonalmente con respecto al otro. A continuación, se transmiten a través de un conjunto de ópticas y se utilizan para iluminar uno de los dos planos simultáneamente.
Las cuatro cámaras están emparejadas en grupos de dos. Cada par se enfoca en una de las láminas láser de la misma manera que el PIV estereoscópico de un solo plano. Cada una de las cuatro cámaras tiene un filtro polarizador diseñado para dejar pasar solo la luz dispersa polarizada de los respectivos planos de interés. Esto crea esencialmente un sistema mediante el cual se ejecutan simultáneamente dos configuraciones de análisis PIV estereoscópico independientes con solo una distancia de separación mínima entre los planos de interés.
Esta técnica permite determinar los tres componentes del gradiente de velocidad que el PIV estereoscópico de un solo plano no pudo calcular: , , y . Con esta técnica, se puede cuantificar todo el tensor del gradiente de velocidad del fluido en el plano bidimensional de interés. Surge una dificultad en que las láminas láser deben mantenerse lo suficientemente cerca entre sí como para aproximarse a un plano bidimensional, pero lo suficientemente separadas como para que se puedan encontrar gradientes de velocidad significativos en la dirección z.
Existen varias extensiones de la idea de PIV estereoscópica de dos planos disponibles. Existe una opción para crear varias láminas láser paralelas utilizando un conjunto de divisores de haz y placas de cuarto de onda, lo que proporciona tres o más planos, utilizando una sola unidad láser y una configuración PIV estereoscópica, denominada XPIV. [10]
Con el uso de un microscopio epifluorescente, se pueden analizar flujos microscópicos. MicroPIV hace uso de partículas fluorescentes que se excitan en una longitud de onda específica y emiten en otra longitud de onda. La luz láser se refleja a través de un espejo dicroico, viaja a través de una lente objetivo que se enfoca en el punto de interés e ilumina un volumen regional. La emisión de las partículas, junto con la luz láser reflejada, brilla de vuelta a través del objetivo, el espejo dicroico y a través de un filtro de emisión que bloquea la luz láser. Mientras que PIV obtiene sus propiedades de análisis bidimensional de la naturaleza plana de la lámina láser, microPIV utiliza la capacidad de la lente objetivo de enfocarse en un solo plano a la vez, creando así un plano bidimensional de partículas visibles. [11] [12]
Las partículas de microPIV tienen un diámetro del orden de varios cientos de nm, lo que significa que son extremadamente susceptibles al movimiento browniano. Por lo tanto, se debe utilizar una técnica especial de análisis de promedio de conjunto para esta técnica. La correlación cruzada de una serie de análisis de PIV básicos se promedian para determinar el campo de velocidad real. Por lo tanto, solo se pueden investigar flujos constantes. También se deben utilizar técnicas especiales de preprocesamiento, ya que las imágenes tienden a tener un sesgo de desplazamiento cero debido al ruido de fondo y a las bajas relaciones señal-ruido. Por lo general, también se utilizan objetivos de alta apertura numérica para capturar la máxima luz de emisión posible. La elección de la óptica también es fundamental por las mismas razones.
La PIV holográfica (HPIV) abarca una variedad de técnicas experimentales que utilizan la interferencia de luz coherente dispersada por una partícula y un haz de referencia para codificar información de la amplitud y fase de la luz dispersada que incide en un plano del sensor. Esta información codificada, conocida como holograma , se puede utilizar para reconstruir el campo de intensidad original iluminando el holograma con el haz de referencia original a través de métodos ópticos o aproximaciones digitales. El campo de intensidad se interroga utilizando técnicas de correlación cruzada 3-D para producir un campo de velocidad.
El HPIV fuera del eje utiliza haces separados para proporcionar las ondas de referencia y de objeto. Esta configuración se utiliza para evitar que se genere ruido de moteado a partir de la interferencia de las dos ondas dentro del medio de dispersión, lo que ocurriría si ambas se propagaran a través del medio. Un experimento fuera del eje es un sistema óptico altamente complejo que comprende numerosos elementos ópticos, y se remite al lector a un esquema de ejemplo en Sheng et al. [13] para una presentación más completa.
La holografía en línea es otro enfoque que ofrece algunas ventajas únicas para la obtención de imágenes de partículas. Quizás la mayor de ellas sea el uso de luz dispersa hacia adelante, que es órdenes de magnitud más brillante que la luz dispersa orientada normal a la dirección del haz. Además, la configuración óptica de estos sistemas es mucho más simple porque la luz residual no necesita separarse y recombinarse en una ubicación diferente. La configuración en línea también proporciona una extensión relativamente fácil para aplicar sensores CCD, creando una clase separada de experimentos conocidos como holografía digital en línea. La complejidad de estas configuraciones se desplaza desde la configuración óptica hasta el posprocesamiento de imágenes, que implica el uso de haces de referencia simulados. El análisis más detallado de estos temas está más allá del alcance de este artículo y se trata en Arroyo y Hinsch [14].
Una variedad de problemas degradan la calidad de los resultados de HPIV. La primera clase de problemas involucra la reconstrucción misma. En holografía, la onda del objeto de una partícula se supone típicamente esférica; sin embargo, debido a la teoría de dispersión de Mie, esta onda tiene una forma compleja que puede distorsionar la partícula reconstruida. Otro problema es la presencia de ruido de moteado sustancial que reduce la relación señal-ruido general de las imágenes de partículas. Este efecto es de mayor preocupación para los sistemas holográficos en línea porque el haz de referencia se propaga a través del volumen junto con el haz del objeto disperso. El ruido también puede introducirse a través de impurezas en el medio de dispersión, como variaciones de temperatura y defectos en la ventana. Debido a que la holografía requiere imágenes coherentes, estos efectos son mucho más severos que las condiciones de imágenes tradicionales. La combinación de estos factores aumenta la complejidad del proceso de correlación. En particular, el ruido de moteado en una grabación HPIV a menudo impide que se utilicen los métodos de correlación tradicionales basados en imágenes. En su lugar, se implementan la identificación y correlación de partículas individuales, lo que establece límites en la densidad del número de partículas. En Meng et al. [15] se ofrece un esquema más completo de estas fuentes de error.
En vista de estos problemas, puede parecer que el HPIV es demasiado complicado y propenso a errores para ser utilizado en mediciones de flujo. Sin embargo, se han obtenido muchos resultados impresionantes con todos los enfoques holográficos. Svizher y Cohen [16] utilizaron un sistema HPIV híbrido para estudiar la física de los vórtices de horquilla. Tao et al. [17] investigaron la alineación de los tensores de vorticidad y velocidad de deformación en turbulencias de alto número de Reynolds. Como ejemplo final, Sheng et al. [13] utilizaron microscopía holográfica para realizar mediciones cercanas a la pared de la tensión de corte turbulenta y la velocidad en capas límite turbulentas.
Mediante el uso de un espejo giratorio, una cámara de alta velocidad y la corrección de los cambios geométricos, se puede realizar un PIV casi instantáneamente en un conjunto de planos a lo largo del campo de flujo. Las propiedades del fluido entre los planos se pueden interpolar. De este modo, se puede realizar un análisis cuasivolumétrico en un volumen objetivo. El PIV de escaneo se puede realizar junto con los otros métodos PIV bidimensionales descritos para aproximarse a un análisis volumétrico tridimensional.
La PIV tomográfica se basa en la iluminación, el registro y la reconstrucción de partículas trazadoras dentro de un volumen de medición 3D. La técnica utiliza varias cámaras para registrar vistas simultáneas del volumen iluminado, que luego se reconstruye para producir un campo de intensidad 3D discretizado. Se analiza un par de campos de intensidad utilizando algoritmos de correlación cruzada 3D para calcular el campo de velocidad 3D, 3C dentro del volumen. La técnica fue desarrollada originalmente [18] por Elsinga et al. [19] en 2006.
El procedimiento de reconstrucción es un problema inverso subdeterminado complejo. [ cita requerida ] La principal complicación es que un único conjunto de vistas puede resultar de una gran cantidad de volúmenes 3-D. Los procedimientos para determinar correctamente el volumen único a partir de un conjunto de vistas son la base del campo de la tomografía. En la mayoría de los experimentos Tomo-PIV, se utiliza la técnica de reconstrucción algebraica multiplicativa (MART). La ventaja de esta técnica de reconstrucción píxel por píxel es que evita la necesidad de identificar partículas individuales. [ cita requerida ] La reconstrucción del campo de intensidad 3-D discretizado es computacionalmente intensiva y, más allá de MART, varios desarrollos han buscado reducir significativamente este gasto computacional, por ejemplo, la técnica de reconstrucción algebraica multiplicativa simultánea de múltiples líneas de visión (MLOS-SMART) [20] que aprovecha la escasez del campo de intensidad 3-D para reducir los requisitos de almacenamiento de memoria y cálculo.
Como regla general, se necesitan al menos cuatro cámaras para lograr una precisión de reconstrucción aceptable, y los mejores resultados se obtienen cuando las cámaras se colocan aproximadamente a 30 grados de la normalidad respecto del volumen de medición. [19] Se deben considerar muchos factores adicionales para lograr un experimento exitoso. [ cita requerida ]
El Tomo-PIV se ha aplicado a una amplia gama de flujos. Entre los ejemplos se incluyen la estructura de una interacción entre una capa límite turbulenta y una onda de choque, [21] la vorticidad de una estela cilíndrica [22] o un perfil aerodinámico en movimiento, [23] experimentos aeroacústicos con perfiles aerodinámicos de varillas, [24] y para medir microflujos a pequeña escala. [25] Más recientemente, el Tomo-PIV se ha utilizado junto con la velocimetría de seguimiento de partículas en 3D para comprender las interacciones entre depredadores y presas, [26] [27] y se ha utilizado una versión portátil del Tomo-PIV para estudiar organismos nadadores únicos en la Antártida. [28]
La medición termográfica de la velocidad del flujo se basa en el uso de fósforos termográficos como partículas de siembra. El uso de estos fósforos termográficos permite la medición simultánea de la velocidad y la temperatura en un flujo.
Los fósforos termográficos están compuestos por materiales cerámicos dopados con iones de metales de transición o tierras raras, que exhiben fosforescencia cuando se iluminan con luz ultravioleta. El tiempo de decaimiento y los espectros de esta fosforescencia son sensibles a la temperatura y ofrecen dos métodos diferentes para medir la temperatura. El método del tiempo de decaimiento consiste en ajustar el decaimiento de la fosforescencia a una función exponencial y normalmente se utiliza en mediciones puntuales, aunque se ha demostrado en mediciones de superficie. La relación de intensidad entre dos líneas espectrales diferentes de la emisión de fosforescencia, rastreadas mediante filtros espectrales, también depende de la temperatura y se puede emplear para mediciones de superficie.
Las partículas de fósforo de tamaño micrométrico que se utilizan en la PIV termográfica se introducen en el flujo como trazador y, tras iluminarlas con una fina lámina de luz láser, se puede medir la temperatura de las partículas a partir de la fosforescencia, normalmente utilizando una técnica de relación de intensidad. Es importante que las partículas sean de tamaño pequeño para que no sólo sigan el flujo satisfactoriamente, sino que también adquieran rápidamente su temperatura. Para un diámetro de 2 μm, el deslizamiento térmico entre la partícula y el gas es tan pequeño como el deslizamiento de velocidad.
La iluminación del fósforo se logra mediante luz ultravioleta. La mayoría de los fósforos termográficos absorben luz en una banda ancha en el ultravioleta y, por lo tanto, se pueden excitar utilizando un láser YAG:Nd. Teóricamente, se puede utilizar la misma luz tanto para mediciones de PIV como de temperatura, pero esto significaría que se necesitan cámaras sensibles a la luz ultravioleta. En la práctica, se superponen dos haces diferentes originados en láseres separados. Mientras que uno de los haces se utiliza para mediciones de velocidad, el otro se utiliza para medir la temperatura.
El uso de fósforos termográficos ofrece algunas ventajas, como la capacidad de sobrevivir en entornos reactivos y de alta temperatura, la estabilidad química y la insensibilidad de su emisión de fosforescencia a la presión y la composición del gas. Además, los fósforos termográficos emiten luz en diferentes longitudes de onda, lo que permite la discriminación espectral frente a la luz de excitación y el fondo.
Se ha demostrado la PIV termográfica para mediciones promediadas en el tiempo [29] y de disparo único [30] . Recientemente, también se han realizado con éxito mediciones de alta velocidad (3 kHz) resueltas en el tiempo [31] .
Con el desarrollo de la inteligencia artificial, han surgido publicaciones científicas y software comercial que proponen cálculos PIV basados en aprendizaje profundo y redes neuronales convolucionales. La metodología utilizada proviene principalmente de las redes neuronales de flujo óptico populares en la visión artificial. Se genera un conjunto de datos que incluye imágenes de partículas para entrenar los parámetros de las redes. El resultado es una red neuronal profunda para PIV que puede proporcionar una estimación del movimiento denso, hasta un máximo de un vector por píxel si las imágenes registradas lo permiten. La PIV de IA promete un campo de velocidad denso, no limitado por el tamaño de la ventana de interrogación, lo que limita la PIV tradicional a un vector por cada 16 x 16 píxeles. [32]
Con el avance de las tecnologías digitales, el procesamiento en tiempo real y las aplicaciones de PIV se hicieron posibles. Por ejemplo, las GPU se pueden utilizar para acelerar sustancialmente la correlación directa basada en la transformada de Fourier de ventanas de interrogación individuales. De manera similar, los procesos de multiprocesamiento, paralelos o multihilo en varias CPU o CPU de múltiples núcleos son beneficiosos para el procesamiento distribuido de múltiples ventanas de interrogación o múltiples imágenes. Algunas de las aplicaciones utilizan métodos de procesamiento de imágenes en tiempo real, como la compresión de imágenes sobre la marcha basada en FPGA o el procesamiento de imágenes. Más recientemente, las capacidades de medición y procesamiento en tiempo real de PIV se han implementado para el uso futuro en el control de flujo activo con la retroalimentación basada en flujo. [33]
La PIV se ha aplicado a una amplia gama de problemas de flujo, que varían desde el flujo sobre el ala de un avión en un túnel de viento hasta la formación de vórtices en válvulas cardíacas protésicas. Se han buscado técnicas tridimensionales para analizar el flujo turbulento y los chorros.
Los algoritmos PIV rudimentarios basados en correlación cruzada se pueden implementar en cuestión de horas, mientras que los algoritmos más sofisticados pueden requerir una inversión significativa de tiempo. Hay varias implementaciones de código abierto disponibles. La aplicación de PIV en el sistema educativo de los EE. UU. ha sido limitada debido al alto precio y a las preocupaciones sobre la seguridad de los sistemas PIV de grado de investigación industrial.
El PIV también se puede utilizar para medir el campo de velocidad de la superficie libre y el límite basal en flujos granulares como los que se producen en contenedores agitados, [34] tambores [35] y avalanchas. Este análisis es particularmente adecuado para medios no transparentes como arena, grava, cuarzo u otros materiales granulares que son comunes en geofísica. Este enfoque PIV se denomina "PIV granular". La configuración para el PIV granular difiere de la configuración PIV habitual en que la estructura de la superficie óptica que se produce mediante la iluminación de la superficie del flujo granular ya es suficiente para detectar el movimiento. Esto significa que no es necesario agregar partículas trazadoras al material a granel.
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