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 de velocidad instantánea 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 que las partículas siguen fielmente el flujo está representado por el número de Stokes ). El fluido con partículas arrastradas se ilumina de modo que las partículas sean visibles. El movimiento de las partículas de siembra se utiliza para calcular la velocidad y la dirección (el campo de velocidades ) del flujo que se estudia.
Otras técnicas utilizadas para medir los flujos son la velocimetría láser Doppler y la anemometría de hilo caliente . La principal diferencia entre PIV y esas técnicas es que PIV produce campos vectoriales bidimensionales o incluso tridimensionales , mientras que las otras técnicas miden la velocidad en un punto. Durante PIV, la concentración de partículas es tal que es posible identificar partículas individuales en una imagen, pero no con certeza rastrearlas 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 moteada por láser se utiliza para casos en los que la concentración de partículas es tan alta que resulta difícil observar partículas individuales en una imagen.
Un aparato PIV típico consta de una cámara (normalmente una cámara digital con un chip de dispositivo de carga acoplada (CCD) en los sistemas modernos), una luz estroboscópica o láser con una disposición óptica para limitar la región física iluminada (normalmente una lente cilíndrica para convertir una luz haz a una línea), un sincronizador que actúa como un disparador externo para el control de 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. El software PIV se utiliza para posprocesar las imágenes ópticas. [7] [8]
La velocimetría de imagen de partículas (PIV) es una técnica de medición de flujo óptico no intrusivo que se utiliza para estudiar patrones y velocidades de flujo de fluidos . PIV ha encontrado aplicaciones generalizadas en diversos campos de la ciencia y la ingeniería, incluida la aerodinámica , la combustión, la oceanografía y los biofluidos . El desarrollo de 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 del PIV pueden atribuirse al trabajo pionero de Ludwig Prandtl , un físico e ingeniero alemán, a menudo considerado como el padre de la aerodinámica moderna. En la década de 1920, Prandtl y sus colegas utilizaron técnicas de gráfico de sombras y Schlieren para visualizar y medir patrones de flujo en túneles de viento . Estos métodos se basaron en las diferencias del índice de refracción entre las regiones fluidas de interés y el medio circundante para generar contraste en las imágenes. Sin embargo, estos métodos se limitaron a observaciones cualitativas y no proporcionaron mediciones cuantitativas de la velocidad.
Las primeras configuraciones de PIV eran relativamente simples y utilizaban película fotográfica como medio de grabación de imágenes. Se utilizó un láser para iluminar partículas, como gotas de aceite o humo, que se agregaron al flujo, y el movimiento de las partículas resultante se capturó en una película. Luego, las películas se revelaron y analizaron para obtener información sobre la velocidad del flujo. Estos primeros sistemas PIV tenían una resolución espacial limitada y requerían mucha mano de obra, pero proporcionaron 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 flujo. Los láseres proporcionaban una fuente de luz coherente y monocromática que podía enfocarse y dirigirse fácilmente, lo que los hacía ideales para el diagnóstico de flujo óptico. 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 imagen de partículas (PIV). PIV se utilizó inicialmente para estudiar flujos de aire y medir 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 de carga acoplada (CCD) y técnicas de procesamiento de imágenes digitales revolucionaron el PIV. Las cámaras CCD reemplazaron a la película fotográfica como medio de grabación de imágenes, proporcionando una mayor resolución espacial , una 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 llegada de las capacidades de procesamiento de imágenes digitales y computadoras en las décadas de 1980 y 1990 revolucionó el PIV, lo que llevó al desarrollo de técnicas avanzadas de PIV, como el PIV de cuadros múltiples, el PIV estéreo y el PIV de resolución temporal. Estas técnicas permitieron una mayor precisión, una mayor resolución espacial y temporal y mediciones tridimensionales, ampliando las capacidades de PIV y permitiendo su aplicación en sistemas de flujo más complejos.
En las décadas siguientes, PIV continuó evolucionando y avanzando en varias áreas clave. Un avance significativo fue el uso de exposiciones dobles o múltiples en PIV, lo que permitió medir campos de velocidad tanto instantáneos como promediados en el tiempo. PIV de doble exposición (a menudo denominado "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 turbulencias y vórtices.
A partir de la década de 2000, 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 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 PIV. 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 micro y nanoescala, flujos granulares y fabricación aditiva.
El avance de 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 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 velocidad de fotogramas mejoradas, que permiten capturar 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 fases y algoritmos de aprendizaje automático , para mejorar la precisión y eficiencia de las mediciones 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 imágenes PIV, lo que permitió una mayor resolución espacial y velocidades de adquisición de datos más rápidas. En la investigación PIV se desarrollaron y utilizaron ampliamente varios algoritmos de correlación, como la correlación cruzada , la correlación basada en la transformada de Fourier y la correlación adaptativa.
PIV también se ha beneficiado del desarrollo de simulaciones de dinámica de fluidos computacional (CFD), que se han convertido en poderosas herramientas para predecir y analizar el comportamiento del flujo de fluidos. Los datos PIV se pueden utilizar para validar y calibrar simulaciones CFD y, a su vez, las simulaciones CFD pueden proporcionar información sobre la interpretación y el análisis de los datos 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 diversos campos científicos y de ingeniería.
Además de los avances técnicos, PIV también se ha integrado con otras técnicas de medición, como 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 velocidad y temperatura o campos de 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 PIV ha sido impulsado por la necesidad de mediciones de flujo precisas y no intrusivas en diversos campos de la ciencia y la ingeniería. Los primeros años de PIV estuvieron marcados por el desarrollo de técnicas básicas de PIV, como la PIV de dos cuadros, y la aplicación de PIV en la investigación fundamental de dinámica de fluidos, principalmente en entornos académicos. A medida que PIV ganó popularidad, los investigadores comenzaron a utilizarlo en aplicaciones más prácticas, como aerodinámica, combustión y oceanografía.
A medida que PIV continúa 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 técnicas PIV, incluidos 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, PIV se ha utilizado para estudiar el flujo sobre las alas de los aviones, las palas del rotor y otras superficies aerodinámicas, proporcionando información sobre el comportamiento del flujo y el rendimiento aerodinámico de estos sistemas.
A medida que 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 sobre combustión, 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 pulverización de combustible, proporcionando información valiosa sobre las complejas interacciones entre el combustible y el aire en los sistemas de combustión. En oceanografía, PIV se ha utilizado para estudiar el movimiento de las corrientes de agua, las olas y las turbulencias, lo que ayuda a comprender los patrones de circulación oceánica y la erosión costera. En la investigación de 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 los microorganismos, proporcionando 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 micro y nanoescala , flujos granulares y flujos multifásicos . Se han utilizado micro-PIV y nano-PIV para estudiar flujos en microcanales , nanoporos y sistemas biológicos a micro 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 petróleo y 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 de microfluidos, 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 , el diagnóstico biomédico y la microescala. ingeniería.
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 precisión. PIV se ha utilizado para estudiar la dinámica del flujo de gases, líquidos y polvos en procesos de fabricación aditiva, proporcionando información sobre los parámetros del proceso que afectan la calidad y las propiedades de los productos fabricados.
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 zonas costeras y el comportamiento de los contaminantes en sistemas naturales y diseñados. En la investigación energética, PIV se ha utilizado para estudiar el comportamiento del flujo en turbinas eólicas , centrales hidroeléctricas y procesos de combustión en motores y turbinas, ayudando en el 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 igualar razonablemente bien las propiedades del fluido. De lo contrario, no seguirán el flujo de manera suficientemente satisfactoria como para que el análisis PIV se considere preciso. Las partículas ideales tendrán la misma densidad que el sistema fluido que se utiliza y son esféricas (estas partículas se llaman microesferas ). Si bien la elección real de las partículas depende de la naturaleza del fluido, generalmente para las investigaciones macro PIV 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 sembradas debe ser diferente del fluido que están sembrando, de modo que la lámina láser que incide sobre el flujo de fluido se reflejará en las partículas y se dispersará hacia la cámara.
Las partículas suelen tener 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 como para dispersar una cantidad significativa de luz láser incidente. Para algunos experimentos que involucran combustión, el tamaño de las partículas de siembra puede ser más pequeño, 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 sedimentación o elevación. En un modelo donde las partículas se modelan como esféricas ( microesferas ) con 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 a la cuadrado de su diámetro. La luz dispersada por las partículas está dominada por la dispersión de Mie y, por tanto, también es proporcional al cuadrado de los diámetros de las partículas. Por lo tanto, el tamaño de las partículas debe estar equilibrado para dispersar suficiente luz para visualizar con precisión todas las partículas dentro del plano de la lámina láser, pero lo suficientemente pequeño como para seguir con precisión el flujo.
El mecanismo de siembra también debe diseñarse para sembrar el flujo en un grado suficiente sin perturbarlo demasiado.
Para realizar el análisis PIV en el flujo, se requieren dos exposiciones de luz láser en la cámara desde el flujo. Originalmente, ante 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 utilizaba 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 provienen 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 unos pocos cientos de ns de diferencia entre los fotogramas. Esto ha permitido aislar cada exposición en su propio marco para un análisis de correlación cruzada más preciso . La limitación de las cámaras típicas es que esta rápida velocidad se limita a un par de tomas. Esto se debe a que cada par de tomas debe transferirse a la computadora antes de poder tomar otro par de tomas. Las cámaras típicas sólo pueden tomar un par de fotografías a una velocidad mucho más lenta. Hay cámaras CCD o CMOS de alta velocidad disponibles, pero son mucho más caras.
Para configuraciones macro PIV, los láseres predominan 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 fotograma. Los láseres Nd:YAG , comúnmente utilizados en configuraciones PIV, emiten principalmente en 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 paso de banda para aislar los armónicos de 532 nm (esto es luz verde). , el único armónico visible a simple vista). Se podría utilizar un cable de fibra óptica o una guía de luz líquida para dirigir la luz láser a la configuración experimental.
La óptica consta de una combinación de lentes esféricas y lentes cilíndricas . 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, idealmente esto se elimina manteniendo una lámina láser completamente bidimensional. La lente esférica no puede comprimir la hoja 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 ubicar 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 cámara 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 el tiempo 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 láser en referencia a la sincronización de la cámara. El conocimiento de este momento es fundamental, ya que es necesario para determinar la velocidad del fluido en el análisis PIV. Los sincronizadores electrónicos independientes, llamados generadores de retardo digitales , ofrecen 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 y interruptores Q, así como proporcionar múltiples exposiciones de la cámara.
Los marcos están divididos en una gran cantidad de áreas de interrogación o ventanas. Entonces es posible calcular un vector de desplazamiento para cada ventana con ayuda de procesamiento de señales y técnicas de autocorrelación o correlación cruzada . Esto se convierte en 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 que tenga al menos 6 partículas por ventana en promedio. Aquí se puede ver un ejemplo visual de análisis PIV.
El sincronizador controla el tiempo entre exposiciones de imágenes y también permite adquirir pares de imágenes en varios momentos a lo largo del flujo. Para un análisis PIV preciso, es ideal que la región del flujo que es de interés muestre un desplazamiento de partículas promedio de aproximadamente 8 píxeles. Se trata de un compromiso entre un espaciamiento temporal más largo, que permitiría a las partículas viajar más lejos entre fotogramas, lo que haría más difícil identificar qué ventana de interrogación viajó a qué punto, y un espaciamiento temporal más corto, que podría hacer demasiado difícil identificar cualquier desplazamiento dentro. el flujo.
La luz dispersada por cada partícula debe estar en la región de 2 a 4 píxeles de ancho en la imagen. Si se registra un área demasiado grande, el tamaño de la imagen de las partículas disminuye y se puede producir un bloqueo de picos con pérdida de precisión de subpíxeles. Existen métodos para superar el efecto de bloqueo de pico, pero requieren algo de trabajo adicional.
Si hay experiencia PIV interna y tiempo para desarrollar un sistema, aunque no sea 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 medidas con el espectro más amplio de experimentos necesarios 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 agregados (si se eligen adecuadamente) generalmente causan una distorsión insignificante del flujo de fluido. [9]
La medición óptica evita la necesidad de tubos Pitot , anemómetros de hilo caliente u otras sondas de medición de flujo intrusivas. El método es capaz de medir simultáneamente una sección transversal bidimensional completa (geometría) del campo de flujo.
El procesamiento de datos de alta velocidad permite la generación de grandes cantidades de pares de imágenes que, en una computadora personal , pueden analizarse en tiempo real o posteriormente, 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. Por lo general, 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 se realizan experimentos 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 conduce a ligeros cambios en el número de Reynolds, por lo que la velocidad del fluido o el tamaño del objeto experimental deben cambiarse para tener en cuenta esto.
Los métodos de velocimetría de imágenes de partículas en general no podrán medir componentes a lo largo del eje z (acercándose o alejándose de la cámara). Estos componentes no sólo 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 PIV estereoscópico, 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 la investigación suelen utilizar láseres de clase IV y cámaras de alta resolución y alta velocidad, lo que conlleva limitaciones de coste y seguridad.
PIV estereoscópico 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 calibrarse adecuadamente para tener el mismo punto enfocado.
En mecánica de fluidos fundamental, el desplazamiento dentro de una unidad de tiempo en las direcciones X, Y y Z se define comúnmente mediante las variables U, V y W. Como se describió anteriormente, el PIV básico extrae los desplazamientos U y V como funciones del plano Direcciones X e Y. Esto permite calcular los gradientes de , y de velocidad. Sin embargo, los otros cinco 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 garantiza la velocidad del fluido en el eje Z 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:
Esta es una expansión del PIV estereoscópico al agregar 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 en dos haces con un divisor de haz. Luego, cada haz se polariza ortogonalmente entre sí. 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 únicamente la luz polarizada dispersada desde los respectivos planos de interés. Básicamente, esto crea un sistema mediante el cual se ejecutan simultáneamente dos configuraciones de análisis PIV estereoscópico separadas con solo una distancia de separación mínima entre los planos de interés.
Esta técnica permite la determinación de 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 porque las láminas láser deben mantenerse lo suficientemente juntas como para aproximarse a un plano bidimensional, pero lo suficientemente desplazadas como para que se puedan encontrar gradientes de velocidad significativos en la dirección z.
Hay varias extensiones disponibles de la idea PIV estereoscópica de doble plano. Existe la opción de crear varias láminas láser paralelas utilizando un conjunto de divisores de haz y placas de un cuarto de onda, proporcionando tres o más planos, utilizando una sola unidad láser y una configuración PIV estereoscópica, llamada XPIV. [10]
Con el uso de un microscopio epifluorescente, se pueden analizar flujos microscópicos. MicroPIV utiliza 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 objetiva que enfoca el punto de interés e ilumina un volumen regional. La emisión de las partículas, junto con la luz láser reflejada, vuelve a brillar 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 del objetivo para enfocarse en un solo plano a la vez, creando así un plano bidimensional de partículas visibles. [11] [12]
Las partículas MicroPIV tienen un diámetro del orden de varios cientos de nm, lo que significa que son extremadamente susceptibles al movimiento browniano. Por lo tanto, para esta técnica se debe utilizar una técnica especial de análisis de promedios de conjuntos. La correlación cruzada de una serie de análisis PIV básicos se promedia para determinar el campo de velocidad real. Por tanto, sólo se pueden investigar flujos estables. 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 bajas relaciones señal-ruido. Por lo general, también se utilizan objetivos de alta apertura numérica para capturar la máxima emisión de luz posible. La elección de la óptica también es fundamental por las mismas razones.
PIV holográfico (HPIV) abarca una variedad de técnicas experimentales que utilizan la interferencia de la luz coherente dispersada por una partícula y un haz de referencia para codificar información de la amplitud y fase de la luz dispersada incidente 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 mediante métodos ópticos o aproximaciones digitales. El campo de intensidad se interroga utilizando técnicas de correlación cruzada tridimensional para producir un campo de velocidad.
HPIV fuera del eje utiliza haces separados para proporcionar el objeto y las ondas de referencia. Esta configuración se utiliza para evitar que se genere ruido moteado debido a 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 proporciona algunas ventajas únicas para la obtención de imágenes de partículas. Quizás el mayor de ellos es el uso de luz dispersada hacia adelante, que es órdenes de magnitud más brillante que la dispersión orientada normal a la dirección del haz. Además, la configuración óptica de dichos sistemas es mucho más sencilla porque no es necesario separar y recombinar la luz residual en una ubicación diferente. La configuración en línea también proporciona una extensión relativamente sencilla para aplicar sensores CCD, creando una clase separada de experimentos conocida como holografía digital en línea. La complejidad de tales configuraciones pasa de la configuración óptica al posprocesamiento de imágenes, que implica el uso de haces de referencia simulados. Una discusión más detallada sobre 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 del HPIV. La primera clase de cuestiones tiene que ver con la reconstrucción misma. En holografía, normalmente se supone que la onda objeto de una partícula es esférica; sin embargo, debido a la teoría de la dispersión de Mie, esta onda tiene una forma compleja que puede distorsionar la partícula reconstruida. Otro problema es la presencia de un ruido 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 imperfecciones en las ventanas. Debido a que la holografía requiere imágenes coherentes, estos efectos son mucho más graves que las condiciones de imágenes tradicionales. La combinación de estos factores aumenta la complejidad del proceso de correlación. En particular, el ruido moteado en una grabación HPIV a menudo impide que se utilicen métodos tradicionales de correlación basados en imágenes. En su lugar, se implementan la identificación y correlación de partículas individuales, que establecen límites a la densidad del número de partículas. Un resumen más completo de estas fuentes de error se ofrece en Meng et al. [15]
A la luz de estos problemas, puede parecer que HPIV es demasiado complicado y propenso a errores para usarlo en mediciones de flujo. Sin embargo, se han obtenido muchos resultados impresionantes con todos los enfoques holográficos. Svizher y Cohen [16] utilizaron un sistema híbrido HPIV para estudiar la física de los vórtices en horquilla. Tao y cols. [17] investigaron la alineación de los tensores de vorticidad y velocidad de deformación en turbulencias con alto número de Reynolds. Como último ejemplo, Sheng et al. [13] utilizaron microscopía holográfica para realizar mediciones cercanas a la pared del esfuerzo cortante turbulento y la velocidad en capas límite turbulentas.
Al utilizar un espejo giratorio, una cámara de alta velocidad y corregir los cambios geométricos, la PIV se puede realizar casi instantáneamente en un conjunto de planos en todo el campo de flujo. Luego se pueden interpolar las propiedades de los fluidos entre los planos. Por tanto, se puede realizar un análisis cuasivolumétrico en un volumen objetivo. El escaneo PIV 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 tridimensional. La técnica utiliza varias cámaras para registrar vistas simultáneas del volumen iluminado, que luego se reconstruye para producir un campo de intensidad tridimensional discretizado. Se analiza un par de campos de intensidad utilizando algoritmos de correlación cruzada tridimensional para calcular el campo de velocidad tridimensional y tridimensional dentro del volumen. La técnica fue desarrollada originalmente [18] por Elsinga et al. [19] en 2006.
El procedimiento de reconstrucción es un problema inverso complejo e indeterminado. [ cita necesaria ] La principal complicación es que un único conjunto de vistas puede resultar de una gran cantidad de volúmenes tridimensionales. Los procedimientos para determinar adecuadamente 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 necesaria ] La reconstrucción del campo de intensidad 3-D discretizado requiere un uso computacional intensivo y, más allá de MART, varios desarrollos han buscado reducir significativamente este gasto computacional, por ejemplo, la técnica de reconstrucción algebraica multiplicativa simultánea con múltiples líneas de visión (MLOS-SMART) [20] que aprovecha la escasez del campo de intensidad 3-D para reducir los requisitos de cálculo y almacenamiento de memoria.
Como regla general, se necesitan al menos cuatro cámaras para una precisión de reconstrucción aceptable y los mejores resultados se obtienen cuando las cámaras se colocan aproximadamente a 30 grados normales al volumen de medición. [19] Es necesario considerar muchos factores adicionales para que un experimento tenga éxito. [ cita necesaria ]
Tomo-PIV se ha aplicado a una amplia gama de flujos. Los ejemplos incluyen la estructura de una interacción de capa límite turbulenta/onda de choque, [21] la vorticidad de una estela cilíndrica [22] o un perfil aerodinámico cabeceante, [23] experimentos aeroacústicos entre varilla y perfil aerodinámico, [24] y medir a pequeña escala, micro fluye. [25] Más recientemente, Tomo-PIV se ha utilizado junto con la velocimetría de seguimiento de partículas tridimensionales para comprender las interacciones depredador-presa, [26] [27] y se ha utilizado una versión portátil de Tomo-PIV para estudiar organismos nadadores únicos en la Antártida. . [28]
El PIV termográfico 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 consisten en materiales cerámicos dopados con iones de tierras raras o metales de transición, que exhiben fosforescencia cuando se iluminan con luz ultravioleta. El tiempo de desintegración 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 se utiliza normalmente 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, rastreada mediante filtros espectrales, también depende de la temperatura y puede utilizarse para mediciones de superficie.
Las partículas de fósforo de tamaño micrométrico utilizadas en PIV termográfico se siembran en el flujo como trazador y, después de la iluminación 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 pequeño tamaño para que no sólo sigan satisfactoriamente el flujo sino que además asuman 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 consigue mediante luz ultravioleta. La mayoría de los fósforos termográficos absorben luz en una banda ancha en el UV y, por lo tanto, pueden excitarse utilizando un láser YAG:Nd. En teoría, se puede utilizar la misma luz tanto para PIV como para mediciones de temperatura, pero esto significaría que se necesitan cámaras sensibles a los rayos UV. En la práctica, se superponen dos haces diferentes procedentes de láseres separados. Mientras que uno de los haces se utiliza para medir la velocidad, el otro se utiliza para medir la temperatura.
El uso de fósforos termográficos ofrece algunas características ventajosas que incluyen la capacidad de sobrevivir en ambientes reactivos y de alta temperatura, estabilidad química e insensibilidad de su emisión fosforescente 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 contra la luz de excitación y el fondo.
Se ha demostrado la PIV termográfica para mediciones de tiempo promedio [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 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 grabadas lo permiten. AI PIV promete un campo de velocidad denso, no limitado por el tamaño de la ventana de interrogación, lo que limita el PIV tradicional a un vector por 16 x 16 píxeles. [32]
Con el avance de las tecnologías digitales, el procesamiento y las aplicaciones de PIV en tiempo real se hicieron posibles. Por ejemplo, las GPU se pueden utilizar para acelerar sustancialmente las correlaciones directas basadas en la transformada de Fourier de ventanas de interrogación únicas. De manera similar, los procesos multiprocesamiento, paralelos o multiproceso en varias CPU o CPU multinúcleo 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 o el procesamiento de imágenes sobre la marcha basado en FPGA. Más recientemente, las capacidades de procesamiento y medición en tiempo real de PIV se implementaron para su uso futuro en el control de flujo activo con retroalimentación basada en el flujo. [33]
PIV se ha aplicado a una amplia gama de problemas de flujo, que van 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 flujos turbulentos y 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 EE. UU. ha sido limitada debido al alto precio y a las preocupaciones de seguridad de los sistemas PIV de grado de investigación industrial.
PIV también se puede utilizar para medir el campo de velocidad de la superficie libre y el límite basal en flujos granulares como los de contenedores agitados, [34] vasos [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 de PIV granular se diferencia de la configuración de PIV habitual en que la estructura superficial 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 añadir partículas trazadoras al material a granel.
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Prueba y medición en Curlie
Investigación PIV en el Laboratorio de Dinámica de Fluidos Experimental ( laboratorio J. Katz )