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La velocimetría es la medición de la velocidad de los fluidos . Esta es una tarea que a menudo se da por sentada e implica procesos mucho más complejos de lo que uno podría esperar. A menudo se utiliza para resolver problemas de dinámica de fluidos , estudiar redes de fluidos, en aplicaciones de control industrial y de procesos , así como en la creación de nuevos tipos de sensores de flujo de fluidos . Los métodos de velocimetría incluyen velocimetría de imágenes de partículas y velocimetría de seguimiento de partículas , velocimetría de etiquetado molecular , interferometría basada en láser , métodos Doppler ultrasónicos, sensores Doppler y nuevas metodologías de procesamiento de señales .
En general, las mediciones de velocidad se realizan en los marcos de referencia lagrangianos o eulerianos (ver coordenadas lagrangianas y eulerianas ). Los métodos lagrangianos asignan una velocidad a un volumen de fluido en un momento dado, mientras que los métodos eulerianos asignan una velocidad a un volumen del dominio de medición en un momento dado. Un ejemplo clásico de la distinción es la velocimetría de seguimiento de partículas, donde la idea es encontrar la velocidad de partículas trazadoras de flujo individuales (lagrangiana) y la velocimetría de imágenes de partículas, donde el objetivo es encontrar la velocidad promedio dentro de una subregión del campo de visión (euleriana). [1]
La velocimetría se remonta a la época de Leonardo da Vinci , quien hacía flotar semillas de pasto en una corriente y dibujaba las trayectorias resultantes de las semillas que observaba (una medición lagrangiana). [2] Finalmente, las visualizaciones de flujo de da Vinci se utilizaron en sus estudios cardiovasculares, en un intento de aprender más sobre el flujo sanguíneo en todo el cuerpo humano. [3]
Durante casi cuatrocientos años se utilizaron métodos similares a los de Da Vinci debido a las limitaciones tecnológicas. Otro estudio notable es el de Felix Savart, de 1833, quien, utilizando un instrumento estroboscópico , dibujó los impactos de chorros de agua. [3]
A finales del siglo XIX se produjo un gran avance en estas tecnologías cuando se hizo posible tomar fotografías de patrones de flujo. Un ejemplo notable de esto es Ludwig Mach, que utilizó partículas irresolubles a simple vista para visualizar líneas de corriente. [4] Otra contribución notable se produjo en el siglo XX por parte de Étienne-Jules Marey , que utilizó técnicas fotográficas para introducir el concepto de la caja de humo. Este modelo permitió rastrear tanto las direcciones del flujo como la velocidad, ya que las líneas de corriente más cercanas entre sí indicaban un flujo más rápido. [3]
Más recientemente, las cámaras de alta velocidad y la tecnología digital han revolucionado el campo, permitiendo la posibilidad de muchas más técnicas y representaciones de campos de flujo en tres dimensiones. [3]
Hoy en día, las ideas básicas establecidas por Leonardo son las mismas: el flujo debe estar sembrado con partículas que puedan observarse mediante el método elegido. Las partículas sembradas dependen de muchos factores, entre ellos el fluido, el método de detección, el tamaño del dominio de medición y, a veces, las aceleraciones esperadas en el flujo. [5] Si el flujo contiene partículas que pueden medirse de forma natural, no es necesario sembrarlo. [6]
La reconstrucción espacial de los tubos de corriente de fluidos mediante la obtención de imágenes de larga exposición de trazadores se puede aplicar a la velocimetría de imágenes de líneas de corriente y a la velocimetría de flujos estacionarios con alta resolución y sin frecuencia de cuadros. [7] La integración temporal de la información velocimétrica se puede utilizar para totalizar el flujo de fluidos. Para medir la velocidad y la longitud en superficies móviles, se utilizan velocímetros de superficie láser . [8]
El fluido generalmente limita la selección de partículas según su gravedad específica; idealmente, las partículas deberían tener la misma densidad que el fluido. Esto es especialmente importante en flujos con una alta aceleración (por ejemplo, flujo de alta velocidad a través de un codo de tubería de 90 grados). [9] Los fluidos más pesados como el agua y el aceite son, por lo tanto, muy atractivos para la velocimetría, mientras que el aire presenta un desafío en la mayoría de las técnicas, ya que rara vez es posible encontrar partículas de la misma densidad que el aire.
Aun así, incluso las técnicas de medición de campo amplio como PIV se han realizado con éxito en el aire. [10] Las partículas utilizadas para la siembra pueden ser tanto gotas líquidas como partículas sólidas. Las partículas sólidas se prefieren cuando se necesitan altas concentraciones de partículas. [9] Para mediciones puntuales como la velocimetría láser Doppler , las partículas en el rango de diámetro nanométrico, como las del humo del cigarrillo, son suficientes para realizar una medición. [6]
En el agua y el aceite hay una variedad de perlas industriales económicas que se pueden utilizar, como esferas de vidrio huecas revestidas de plata fabricadas para ser polvos conductores (rango de diámetro de decenas de micrómetros) u otras perlas utilizadas como reflectores y agentes texturizantes en pinturas y revestimientos. [11] Las partículas no necesitan ser esféricas; en muchos casos se pueden utilizar partículas de dióxido de titanio. [12]
El PIV se ha utilizado en la investigación para controlar el ruido de los aviones. Este ruido se crea por la mezcla a alta velocidad de los gases de escape calientes de los aviones con la temperatura ambiente del entorno. El PIV se ha utilizado para modelar este comportamiento. [13]
Además, la velocimetría Doppler permite utilizar técnicas no invasivas para determinar si los fetos tienen el tamaño adecuado en un momento dado del embarazo. [14]
La velocimetría también se ha aplicado a imágenes médicas para obtener mediciones regionales del flujo sanguíneo y el movimiento de los tejidos. Inicialmente, la PIV (iluminación de un solo plano) estándar se adaptó para trabajar con imágenes de rayos X (iluminación de volumen completo), lo que permitió la medición de flujos opacos como el flujo sanguíneo. Luego se amplió para investigar el movimiento regional 2D del tejido pulmonar y se descubrió que era un indicador sensible de la enfermedad pulmonar regional. [15]
La velocimetría también se amplió a mediciones regionales 3D del flujo sanguíneo y el movimiento tisular con una nueva técnica, la velocimetría de rayos X por tomografía computarizada, que utiliza la información contenida en la correlación cruzada PIV para extraer mediciones 3D de secuencias de imágenes 2D. [16] Específicamente, la velocimetría de rayos X por tomografía computarizada genera una solución modelo, compara las correlaciones cruzadas del modelo con la correlación cruzada de la secuencia de imágenes 2D e itera la solución modelo hasta que se minimiza la diferencia entre las correlaciones cruzadas del modelo y las correlaciones cruzadas de la secuencia de imágenes. Esta técnica se está utilizando como un método no invasivo para cuantificar el rendimiento funcional de los pulmones. Se está utilizando en un entorno clínico, [17] y se está utilizando en ensayos clínicos realizados por instituciones como la Universidad de Duke , [18] el Centro Médico de la Universidad de Vanderbilt [19] y la Universidad de Ciencias de la Salud de Oregón [20].
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