분자태깅 벨로시메트리
Molecular tagging velocimetry
분자태깅벨로시메트리(MTV)는 유체 벨로시메트리(Flow Velocimetry)의 특정한 형태로서, 공기나 물과 같은 유체에서 전류의 속도를 결정하는 기법이다.[1]가장 단순한 형태로, 하나의 "쓰기" 레이저 빔이 샘플 공간을 통해 한 번 발사된다.그 경로를 따라 광학적으로 유도된 화학 과정이 시작되어 새로운 화학 종을 생성하거나 기존 화학 종의 내부 에너지 상태를 변화시켜 레이저 빔에 맞은 분자를 나머지 액체와 구별할 수 있다.그러한 분자는 "태그(tagged)"라고 한다.
태그가 붙은 이 분자의 선은 이제 유체의 흐름에 의해 운반된다.속도 정보를 얻기 위해 두 개의 인스턴스(instance)에서 영상을 획득하고 분석(흔히 영상 강도의 상관관계에 의해)하여 변위를 결정한다.흐름이 입체적이거나 난류적이면 선은 교체될 뿐만 아니라 변형될 것이다.
설명
이러한 태그가 붙은 분자를 시각화할 수 있는 세 가지 광학적 방법이 있다: 형광, 인광, 레이저 유도 형광(LIFLIF.세 가지 경우 모두 분자는 낮은 상태로 이완되고 그들의 과잉 에너지는 광자로 방출된다.형광에서 이 에너지 붕괴는 빠르게 발생하므로(대기압에서 - 내 "직접" 형광 붕괴는 태그 부착에 비실용적이다.인광에서는 양자기계적으로 전환이 금지되어 있기 때문에 붕괴가 더 느리다.
어떤 "쓰기" 계획에서, 태그가 붙은 분자는 흥분 상태로 끝나게 된다.만약 분자가 인광을 통해 이완되어 선 변위를 볼 수 있을 만큼 충분히 오래 지속된다면, 이것은 쓰여진 선을 추적하는데 사용될 수 있고 추가적인 시각화 단계가 필요하지 않다.만약 태깅하는 동안 분자가 인광체계에 도달하지 않았거나 분자가 "읽기" 전에 이완된 경우, 두 번째 단계가 필요하다.태그가 붙은 분자는 두 번째 레이저 빔을 사용하여 흥분하며, 특별히 태그가 붙은 분자를 흥분시킬 수 있는 파장을 이용한다.이 분자는 형광을 발할 것이고 이 형광은 카메라를 통해 포착된다.이러한 시각화 방식을 레이저 유도 형광(LIF)이라고 한다.
광학 기법은 현대 유체 벨로시메트리에 자주 사용되지만 대부분은 광학 기계학이다.광전자 기계 기법은 흐름 측정에만 의존하지 않고 매크로 크기 시딩이 필요하다.가장 잘 알려져 있고 자주 사용되는 예는 입자 이미지 벨로시메트리(PIV)와 레이저 도플러 벨로시메트리(LDV)이다.모든 광학 기술 분야 내에서 우리는 유사한 기술을 구별할 수 있지만 분자 추적기를 사용한다.도플러 체계에서, 빛은 준-탄성적으로 분자를 흩뜨리고 분자의 속도는 도플러의 산란된 빛의 주파수로의 변화를 전달한다.PIV에서와 같이 분자 태깅 기법에서 벨로시메트리는 트레이서 변위를 시각화하는 것에 기초한다.
구성표
MTV 기법은 제트 엔진, 화염, 고압 선박과 같이 피토, 열선 벨로시메트리, PIV와 같은 기법이 작동하기 어려운 환경에서 속도 측정을 허용하는 것으로 입증되었다.MTV의 분야는 꽤 젊다; 1980년대 안에 처음으로 구현의 시범이 나타났고, 공중에서 사용하기 위해 개발되고 조사된 계획의 수는 여전히 상당히 적다.이 계획들은 생성되는 분자에 있어서, 이물질 분자와 함께 그 흐름을 파종하는 것이 필요한지, 그리고 어떤 빛의 파장을 사용하고 있는지 등에서 차이가 있다.
인 가스
가스에 대한 가장 철저한 유체역학 연구는 ALEFY 체계와 ALITS 체계를 사용하여 수행되었다.두 기법 모두 추가 시딩 없이 주변 공기에서 사용할 수 있다.AIDE에서는 흥분된 산소가 추적기로 사용된다.이 방법은 분자의 이완을 금지하는 양자역학적 특성을 이용하여 흥분한 산소의 수명이 비교적 길다.
ALART는 산화질소의 "광합성"을 기반으로 한다.NO는 안정된 분자이기 때문에, 그것을 가지고 쓰여진 패턴은 원칙적으로 거의 무한정 따라갈 수 있다.
매우 높은 정확도를 내는 잘 발달되고 널리 문서화된 또 다른 기술은 hydroxyl tagging velocimetry(HTV)이다.수증기의 광분화에 따른 수증기 광분화에 기초하여 LIF를 이용한 수산화기(OH ratic)의 시각화에 기초한다.HTV는 실내 공기 온도 흐름에서 캐비티 내의 마하 2 흐름까지 다양한 시험 조건에서 성공적으로 입증되었다.
액체로
액체에서는 세 가지 MTV 접근법이 분류되었다:[2] 직접 인광(인광염료 사용), 흡광도(광채색 염료 사용), 광전자 형광(일반적으로 새장 염료 사용)이다.
직접인광에 기초한 MTV는 발광성 흥분 분자 상태를 생성하기 위해 하나의 레이저가 필요하기 때문에 구현하기 가장 쉬운 기술이다.[3]인광 신호는 일반적으로 형광 신호보다 약하고 탐지하기 어렵다.
흡광성에 의한 MTV라고 불리는 두 번째 기술은 광색 염료의 형광 특성에 대한 가역적 변화에 의존한다.이 계획은 알코올과[4] 기름에서는 좋은 결과를 보였지만 일반적인 염료가 용해되지 않는 물에서는 그렇지 않았다.[5][6]
MTV의 세 번째 변종은 1995년[7] "분자운동의 사진 비침해적 추적(PHANTOMM)"이라는 이름으로 액체에 처음 배치되었다. PANTOMM 기법은 처음에는 블루 레이저에 의해 흥분된 플루오르세신 기반의 새장 염료에 의존했다.더 최근에는, 로다민 기반의 새장 염료가 펄스 UV와 녹색 레이저와 함께 성공적으로 사용되었다.[8]
참고 항목
참조
- ^ Koochesfahani, Manoochehr (1999). "Molecular Tagging Velocimetry (MTV) - Progress and applications". 30th Fluid Dynamics Conference. CiteSeerX 10.1.1.456.1991. doi:10.2514/6.1999-3786.
- ^ Koochesfahani, M.M.; Nocera, D.G. (2007). Tropea, Cameron; Yarin, Alexander L; Foss, John F (eds.). "Molecular tagging velocimetry". Handbook of Experimental Fluid Dynamics. doi:10.1007/978-3-540-30299-5. ISBN 978-3-540-25141-5.
- ^ Gendrich, C.P.; Koochesfahani, M.M.; Nocera, D.G. (1997). "Molecular tagging velocimetry and other novel applications of a new phosphorescent supramolecule". Experiments in Fluids. 23 (5): 361–372. Bibcode:1997ExFl...23..361G. doi:10.1007/s003480050123. S2CID 121306156.
- ^ Popovich, A.T.; Hummel, R.L. (1967). "A new method for non-disturbing turbulent flow measurements very close to a wall". Chemical Engineering Science. 22 (1): 21–25. doi:10.1016/0009-2509(67)80100-3.
- ^ Homescu, D.; Desevaux, P. (2004). "Laser photochromic dye activation technique for the measurement of liquid free surface velocity on curved surfaces". Optics and Lasers in Engineering. 41 (6): 879–888. Bibcode:2004OptLE..41..879H. doi:10.1016/S0143-8166(03)00064-2.
- ^ Rosli, N.B.; Amagai, K. (2014). "Measurement of liquid sheet using laser tagging method by photochromic dye". Experiments in Fluids. 55 (12): 1843. Bibcode:2014ExFl...55.1843R. doi:10.1007/s00348-014-1843-0.
- ^ Lempert, W.R.; Ronney, P.; Magee, K.; Gee, K.R.; Haugland, R.P. (1995). "Flow tagging velocimetry in incompressible flow using photo-activated nonintrusive tracking of molecular motion (PHANTOMM)". Experiments in Fluids. 18 (4): 249–257. Bibcode:1995ExFl...18..249L. doi:10.1007/BF00195095. S2CID 122228370.
- ^ Fort, C.; André, M.A.; Bardet, P.M. (2020). Development of long distance 2D micro-molecular tagging velocimetry (μMTV) to measure wall shear stress. AIAA Scitech 2020 Forum. Orlando,FL. doi:10.2514/6.2020-1274.
추가 읽기
- Elenbaas, Thijs (2005). Writing lines in turbulent air using Air Photolysis and Recombination Tracking (PDF). Eindhoven: Technische Universiteit Eindhoven. ISBN 978-90-386-2401-3.
- C.P. Gendrich; M.M. Koochesfahani; D.G. Nocera (1997). "Molecular tagging velocimetry and other novel applications of a new phosphorescent supramolecule". Experiments in Fluids. 23 (5): 361–372. Bibcode:1997ExFl...23..361G. doi:10.1007/s003480050123. S2CID 121306156.
- B. Hiller; R. A. Booman; C. Hassa; R. K. Hanson (1984). "Velocity visualization in gas flows using laser-induced phosphorescence of biacetyl". Review of Scientific Instruments. 55 (12): 1964–1967. Bibcode:1984RScI...55.1964H. doi:10.1063/1.1137687. Archived from the original on 2013-02-23.
- R.B. Miles; J. Grinstead; R.H. Kohl; G. Diskin (2000). "The RELIEF flow tagging technique and its application in engine testing facilities and for helium–air mixing studies" (PDF). Measurement Science and Technology. 11 (9): 1272–1281. Bibcode:2000MeScT..11.1272M. doi:10.1088/0957-0233/11/9/304. Archived from the original (PDF) on 2003-11-23.
- A. T. Popovich; R. L. Hummel (1967). "A new method for non-disturbing turbulent flow measurement very close to a wall". Chemical Engineering Science. 22: 21–25. doi:10.1016/0009-2509(67)80100-3.
- L.A. Ribarov; J.A. Wehrmeyer; R.W. Pitz; R.A. Yetter (2002). "Hydroxyl tagging velocimetry (HTV) in experimental air flows" (PDF). Applied Physics B. 74 (2): 175–183. Bibcode:2002ApPhB..74..175R. doi:10.1007/s003400100777. S2CID 122057285. Archived from the original (PDF) on 2003-11-27.
