입자상 속도계

입자상속도측정(PIV)은 교육 및 ^{[2][3][4][5][6]}연구에 사용되는^[1] 광학적 흐름 시각화 방법입니다.순간 속도 측정 및 유체 내 관련 특성을 얻는 데 사용됩니다.유체는 충분히 작은 입자의 경우 흐름 역학을 충실히 따르는 것으로 간주되는 추적 입자로 시드됩니다(입자가 흐름을 충실히 따르는 정도는 스토크스 수로 나타남).입자가 들어간 유체는 입자가 보이도록 조명됩니다.시딩 입자의 움직임은 연구 대상 흐름의 속도와 방향(속도장)을 계산하는 데 사용됩니다.

흐름을 측정하는 데 사용되는 다른 기술로는 레이저 도플러 속도 측정과 열선 풍속 측정이 있습니다.PIV와 이러한 기술의 주요 차이점은 PIV가 2차원 또는 3차원 벡터 필드를 생성하는 반면 다른 기술은 한 지점에서 속도를 측정한다는 것입니다.PIV 동안 입자 농도는 이미지 내의 개별 입자를 식별할 수 있지만 이미지 간에 추적하는 것은 확실치 않습니다.입자 농도가 너무 낮아 개별 입자를 따라갈 수 있는 것을 입자 추적 속도계라고 하며, 레이저 스펙클 속도계는 입자 농도가 너무 높아 이미지에서 개별 입자를 관찰하기 어려운 경우에 사용됩니다.

일반적인 PIV 장치는 카메라(일반적으로 현대 시스템에서는 CCD 칩을 갖춘 디지털 카메라), 조명되는 물리 영역을 제한하는 광학적인 배치를 가진 스트로보 또는 레이저(일반적으로 광선을 라인으로 변환하는 원통형 렌즈), 카메라와 레이저의 제어를 위한 외부 트리거로서 기능하는 싱크로나이저, 시딘으로 구성됩니다.g 입자와 조사 대상 유체.광섬유 케이블 또는 액상 라이트 가이드가 레이저를 렌즈 설정에 연결할 수 있습니다.PIV 소프트웨어는 광학 이미지를 ^[7][8]후처리하는 데 사용됩니다.

역사

유체의 흐름을 관찰하기 위해 유체에 입자 또는 물체를 추가하는 방법은 오랜 기간 동안 사용되었을 가능성이 높지만 이 방법의 지속적인 적용은 알려지지 않았다.유체를 보다 체계적으로 연구하기 위해 입자를 사용한 최초의 사람은 20세기 초의 루드비히 프란틀이었다.

레이저 도플러 속도계는 레이저 디지털 분석 시스템으로서 PIV보다 앞서 연구 및 산업용으로 널리 보급되었습니다.특정 지점에서 유체의 모든 속도 측정을 얻을 수 있으므로 2차원 PIV의 직접적인 이전 단계로 간주할 수 있습니다.PIV 자체는 1970년대 후반에 여러 그룹이 실험하기 시작한 기술인 레이저 스펙클 속도 측정에서 그 뿌리를 찾았다.1980년대 초반에는 입자 농도를 개별 입자를 관찰할 수 있는 수준까지 낮추는 것이 유리하다는 것이 밝혀졌다.이러한 입자 밀도에서는 흐름이 많은 매우 작은 '간섭' 영역으로 분할되면 각각의 영역에 대해 하나의 속도를 생성하기 위해 개별적으로 분석될 수 있는 흐름을 연구하는 것이 더 쉬워진다는 것을 추가로 알 수 있었다.이 이미지들은 보통 아날로그 카메라를 사용하여 기록되었고 분석하기 위해서는 엄청난 양의 컴퓨팅 파워가 필요했다.

컴퓨터의 성능이 향상되고 CCD(충전 결합 장치) 카메라가 널리 사용되면서 디지털 PIV는 오늘날 주요 기술이 될 정도로 점점 더 보편화되었습니다.

기기 및 기기

파종 입자

시딩 파티클은 본질적으로 PIV 시스템의 중요한 구성요소입니다.조사 중인 유체에 따라 입자가 유체의 특성과 상당히 잘 일치해야 합니다.그렇지 않으면 PIV 분석이 정확하다고 간주될 만큼 충분히 흐름을 따르지 않습니다.이상적인 입자는 사용되는 유체 시스템과 같은 밀도를 가지며 구형입니다(이 입자를 미소구라고 합니다).실제 입자는 오일의 특성에 따라 다르지만 일반적으로 거시 PIV 조사에서는 유리 비즈, 폴리스티렌, 폴리에틸렌, 알루미늄 플레이크 또는 오일 방울(조사 중인 오일이 가스인 경우)이 선택됩니다.시딩 입자의 굴절률은 시딩하는 유체와 달라야 합니다. 따라서 유체 흐름에 입사하는 레이저 시트가 입자에서 반사되어 카메라 쪽으로 흩어집니다.

입자는 일반적으로 직경이 10~100마이크로미터 정도 됩니다.사이징에 관해서는 유체의 움직임에 대한 입자의 응답시간이 흐름을 정확하게 따르기 위해 상당히 짧으면서도 입사 레이저광을 상당량 산란할 수 있을 정도로 충분히 작아야 한다.연소를 포함한 일부 실험의 경우 불활성 입자가 화염에 미치는 담금질 효과를 피하기 위해 시드 입자 크기를 1마이크로미터 정도로 줄일 수 있습니다.입자의 크기가 작기 때문에 입자의 움직임은 스토크 드래그와 안착 또는 상승 영향에 의해 좌우됩니다.매우 낮은 레이놀즈 수로 입자를 구형(미구)으로 모델링한 모델에서 입자가 유체의 흐름을 따르는 능력은 입자와 유체 사이의 밀도 차이에 반비례하며 직경의 제곱에도 반비례합니다.입자의 산란광은 미에 산란광에 의해 지배되기 때문에 입자의 지름의 제곱에 비례합니다.따라서 입자 크기는 레이저 시트 평면 내의 모든 입자를 정확하게 시각화할 수 있을 만큼 충분한 빛을 산란할 수 있도록 균형을 이루어야 하지만 흐름을 정확하게 따를 수 있을 만큼 작아야 합니다.

시딩 메커니즘은 흐름을 지나치게 방해하지 않고 충분한 정도로 시딩하도록 설계해야 합니다.

카메라

흐름에 대해 PIV 분석을 수행하려면 흐름에서 카메라로 레이저 빛을 두 번 노출해야 합니다.원래 카메라가 고속으로 여러 프레임을 캡처할 수 없었기 때문에 두 노출 모두 동일한 프레임에서 캡처되었으며 이 단일 프레임을 사용하여 흐름이 결정되었습니다.이 분석에는 자기 상관이라는 공정이 사용되었습니다.다만, 자기 상관의 결과, 어느 입자 스팟이 제1펄스에서 어느 입자 스팟이 제2펄스에서 어느 입자 스팟인지 명확하지 않기 때문에 흐름의 방향이 불명확해진다.그 이후로 CCD 또는 CMOS 칩을 사용하는 고속 디지털 카메라가 개발되어 프레임 간에 수백 ns의 차이로 두 개의 프레임을 고속으로 캡처할 수 있게 되었습니다.이를 통해 보다 정확한 상호 상관 분석을 위해 각 노출을 자체 프레임에서 분리할 수 있습니다.일반적인 카메라의 한계는 이 빠른 속도가 한 쌍의 촬영으로 제한된다는 것입니다.이는 각 샷 쌍이 컴퓨터로 전송되어야 다른 샷 쌍이 촬영될 수 있기 때문입니다.일반적인 카메라는 훨씬 느린 속도에서 한 쌍의 사진만 찍을 수 있습니다.고속 CCD 또는 CMOS 카메라가 있지만 가격이 훨씬 더 비쌉니다.

레이저 및 광학

매크로 PIV 설정의 경우 짧은 펄스 지속 시간으로 고출력 광선을 생성할 수 있기 때문에 레이저가 우세합니다.이로 인해 각 프레임에 대한 노출 시간이 짧아집니다.Nd:YAG 레이저는 PIV 설정에서 일반적으로 사용되며 주로 1064 nm 파장과 그 고조파(532, 266 등)에서 방사됩니다.안전상의 이유로 레이저 방출은 일반적으로 532nm 고조파를 분리하기 위해 대역 통과 필터링됩니다(이것은 녹색 빛이며 육안으로 볼 수 있는 유일한 고조파입니다).광섬유 케이블 또는 액체 도파드를 사용하여 레이저광을 실험 설정으로 유도할 수 있습니다.

광학은 구형 렌즈와 원통형 렌즈의 조합으로 구성됩니다.원통형 렌즈는 레이저를 평면으로 확장하는 반면 구형 렌즈는 평면을 얇은 시트로 압축합니다.PIV 기술은 일반적으로 레이저 시트에 대한 정상적인 움직임을 측정할 수 없기 때문에 이는 매우 중요합니다. 따라서 이상적인 것은 완전히 2차원 레이저 시트를 유지하는 것입니다.구형 렌즈는 레이저 시트를 실제 2차원 평면으로 압축할 수 없습니다.최소 두께는 레이저 광의 파장 순서에 따라 결정되며 광학 설정(구면 렌즈의 초점)으로부터 유한한 거리에서 발생합니다.이 위치는 실험의 분석 영역을 배치하기에 이상적인 위치입니다.

또한 조사 영역 내의 입자에 적절히 초점을 맞추고 시각화할 수 있도록 카메라의 올바른 렌즈를 선택해야 합니다.

싱크로나이저

싱크로나이저는 카메라와 레이저 모두에 대해 외부 트리거 역할을 합니다.과거에 광센서, 회전 개구부 및 광원 형태의 아날로그 시스템이 사용되었지만, 오늘날 사용되는 대부분의 시스템은 디지털 시스템입니다.컴퓨터에 의해 제어되는 싱크로나이저는 레이저의 발사와 함께 CCD 카메라 시퀀스의 각 프레임의 타이밍을 1ns의 정밀도로 지시할 수 있습니다.따라서 레이저의 각 펄스와 카메라 타이밍을 기준으로 레이저 샷의 배치 사이의 시간을 정확하게 제어할 수 있습니다.PIV 분석에서 유체의 속도를 결정하기 위해서는 이 타이밍에 대한 지식이 매우 중요합니다.디지털 지연 발생기라고 불리는 독립형 전자 싱크로나이저는 250ps에서 몇 ms까지 다양한 분해능 타이밍을 제공합니다.최대 8채널의 동기 타이밍을 통해 여러 개의 플래시 램프와 Q-스위치를 제어하고 여러 개의 카메라 노출을 가능하게 합니다.

분석.

프레임은 다수의 질문 영역 또는 창으로 분할됩니다.그런 다음 신호 처리 및 자기 상관 또는 교차 상관 기술을 사용하여 각 창에 대한 변위 벡터를 계산할 수 있습니다.이것은 레이저 촬영 간격과 카메라의 각 픽셀의 물리적 크기를 사용하여 속도로 변환됩니다.질문 창의 크기는 창당 평균 6개 이상의 파티클을 가지도록 선택해야 합니다.여기에서 PIV 분석의 시각적 예를 볼 수 있습니다.

싱크로나이저는 영상 노출 사이의 타이밍을 제어하고 흐름을 따라 다양한 시간에 영상 쌍을 획득할 수도 있습니다.정확한 PIV 분석을 위해서는 흐름의 관심 영역이 약 8픽셀의 평균 입자 변위를 표시하는 것이 이상적입니다.이는 입자가 프레임 간에 더 멀리 이동할 수 있도록 하는 긴 시간 간격과 흐름 내 변위를 식별하기 어려울 수 있는 짧은 시간 간격 사이의 타협입니다.

각 입자의 산란광은 이미지상의 직경 2 ~4픽셀 범위에 있어야 합니다.너무 큰 영역이 기록되면 입자 이미지 크기가 감소하고 하위 픽셀 정밀도가 손실되어 피크 잠금이 발생할 수 있습니다.피크 잠금 효과를 극복하기 위한 방법이 있지만, 몇 가지 추가 작업이 필요합니다.

사내에 PIV 전문지식과 시스템 개발에 필요한 시간이 있다면 간단한 일이 아니더라도 커스텀 PIV 시스템을 구축할 수 있다.그러나 연구 등급의 PIV 시스템은 연구에 필요한 가장 넓은 범위의 실험을 측정할 수 있도록 고출력 레이저와 하이엔드 카메라 사양을 갖추고 있습니다.

설치되지 않은 PIV 분석 예제 [1]

PIV는 디지털 이미지 상관관계와 밀접하게 관련되어 있는데, 이는 상관관계 기술을 사용하여 고체 물질의 변형을 연구하는 광학 변위 측정 기술입니다.

장점/단점

이점

그 방법은 대체로 비침입적이다.추가된 트레이서(적절하게 선택된 경우)는 일반적으로 유체 ^[9]흐름의 왜곡을 거의 유발하지 않습니다.

광학 측정으로 피토 튜브, 열선 풍속계 또는 기타 침입 흐름 측정 프로브가 필요하지 않습니다.이 방법은 흐름장의 전체 2차원 단면(기하학)을 동시에 측정할 수 있습니다.

고속 데이터 처리를 통해 PC 상에서 실시간 또는 나중에 분석할 수 있는 다수의 화상쌍을 생성할 수 있으며, 많은 양의 거의 연속적인 정보를 얻을 수 있다.

각 벡터는 특정 타일 내의 많은 입자에 대한 통계 평균이기 때문에 하위 픽셀 변위 값은 높은 수준의 정확도를 제공합니다.일반적으로 변위는 영상 평면에 있는 한 픽셀의 10%까지 정확할 수 있습니다.

결점

경우에 따라 입자는 밀도가 높기 때문에 유체(가스/액체)의 움직임을 완전히 따르지 않을 수 있습니다.예를 들어 물 속에서 실험을 하면 물과 같은 밀도의 매우 저렴한 입자(예를 들어 직경 60µm 이하의 플라스틱 분말)를 쉽게 발견할 수 있다.그래도 밀도가 맞지 않으면 온도를 높이거나 낮춰 유체의 밀도를 조정할 수 있습니다.이는 레이놀즈 수치에 약간의 변화를 가져오므로, 이를 고려하여 유체 속도 또는 실험 물체의 크기를 변경해야 한다.

일반적으로 입자 영상 속도 측정 방법에서는 z축을 따라(카메라 방향/카메라 방향) 구성 요소를 측정할 수 없습니다.이러한 성분은 누락될 수 있을 뿐만 아니라 시차로 인해 발생하는 x/y 성분의 데이터에 간섭을 일으킬 수도 있습니다.두 대의 카메라를 사용하여 세 가지 속도 성분을 모두 측정하는 Stereoscopic PIV에서는 이러한 문제가 발생하지 않습니다.

결과 속도 벡터는 흐름의 작은 영역에 걸친 강도 분포의 교차 상관에 기초하기 때문에 결과 속도장은 실제 속도장의 공간 평균 표현이다.이는 분명히 속도장, 소용돌이성 및 종종 PIV 속도장에서 파생되는 공간 상관 함수의 공간적 파생물의 정확성에 영향을 미친다.

연구에 사용되는 PIV 시스템은 종종 클래스 IV 레이저와 고해상도, 고속 카메라를 사용합니다.이러한 카메라는 비용과 안전상의 제약이 따릅니다.

보다 복잡한 PIV 설정

입체 PIV

입체 PIV는 별도의 시야각을 가진 두 대의 카메라를 사용하여 z축 변위를 추출합니다.양쪽 카메라의 초점을 플로우내의 같은 장소에 맞추고, 같은 포인트의 초점을 맞추도록 적절히 보정할 필요가 있습니다.

기초 유체 역학에서 X, Y 및 Z 방향의 단위 시간 내 변위는 일반적으로 변수 U, V 및 W에 의해 정의됩니다.앞서 설명한 바와 같이 기본 PIV는 면내 X 및 Y 방향의 함수로 U 및 V 변위를 추출합니다.$이$를 통해 U$$ {\$displaystyle U_{x$ ${\displaystyle V_{}}$y {$displaystyle V_{y$ ${\displaystyle U_{}}$y {\$displaystyle U_{$y$$} $및{\displaystyle {}_{}}$ x {\$displaystyle V_{x}$ 속도$$ 구배를 계산할 수 있습니다.그러나 속도 구배 텐서의 나머지 5개 항은 이 정보에서 찾을 수 없다.또한 입체 PIV 분석을 통해 해당 평면 내에서 Z축 변위 성분 W가 부여됩니다.이를 통해 관심 평면에서 유체의 Z축 속도가 부여될 뿐만 아니라 ${\displaystyle W_{}}$x \$display$ W_${x}$ $및$ ${\displaystyle W_{}}$y \$display W_{$y$\}$의 두 가지 속도 구배 항을 추가로 결정할 수 있습니다.속도 구배 ${\displaystyle {성분}_{}}$ U$z$ {\$displaystyle$U_${$$z$ $z$ {$displaystyle$ V_${$$\}$ 및 $W{\displaystyle {}_{}}$ z {\displaystyle $W_{z}$를 확인할 수 없습니다.속도 구배 성분이 텐서를 형성합니다.

$(\displaystyle \ bmatrix \U_{x}&U_{y}&U_{z}\V_{x}&V_{y}&V_{z}\\W_{x}&W_{y}&W_{z}\\end{bmatrix}}$

듀얼 플레인 입체 PIV

이는 첫 번째 평면과 직접 오프셋된 두 번째 조사 평면을 추가하여 입체 PIV를 확장한 것입니다.이 분석에는 4대의 카메라가 필요합니다.레이저 빛의 두 평면은 빔 스플리터로 레이저 방출을 두 개의 빔으로 분할하여 생성됩니다.다음으로 각 빔은 서로에 대해 직교로 편광된다.그런 다음, 그것들은 광학 세트를 통해 전송되고 두 평면 중 하나를 동시에 조명하는 데 사용됩니다.

네 대의 카메라는 두 대씩 한 조로 구성되어 있습니다.각 쌍은 단일 평면 입체 PIV와 동일한 방식으로 레이저 시트 중 하나에 초점을 맞춥니다.4대의 카메라 각각에는, 각각의 관심면으로부터의 편광 산란광만을 통과시키도록 설계된 편광 필터가 있습니다.이는 기본적으로 관심 평면 간의 최소 분리 거리만으로 두 개의 개별 입체 PIV 분석 설정을 동시에 실행하는 시스템을 만듭니다.

이 기술을 사용하면 단일 평면 입체 PIV에서 계산할 수 없는 세 가지 속도 구배 성분을 확인할 수 있습니다.${\displaystyle U_{}}$z { $displaystyle U$_ {$z$ $\}$ , ${\displaystyle V_{}}$$$z { $displaystyle V$_ {$z$ $\}$ , $W{\displaystyle {}_{}}$ z {$displaystyle W$_ {$z$} 。이 기법으로 2차원 관심면에서 유체의 전체 속도구배 텐서를 정량화할 수 있다.레이저 시트는 2차원 평면에 근접할 수 있을 정도로 가깝게 유지되어야 하지만 z방향에서 유의한 속도 구배를 찾을 수 있을 만큼 오프셋되어야 한다는 점에서 어려움이 발생합니다.

멀티플레인 입체 PIV

듀얼 플레인 입체 PIV 아이디어에는 몇 가지 확장 기능을 사용할 수 있습니다.XPIV라고 하는 단일 레이저 유닛과 입체 PIV 설정을 사용하여 3개 이상의 평면을 제공하는 빔플리터 세트와 1/4파 플레이트를 사용하여 여러 개의 병렬 레이저 시트를 만들 수 있는 옵션이 있습니다.

마이크로 PIV

에피 형광 현미경을 사용하여 현미경 흐름을 분석할 수 있습니다.MicroPIV는 특정 파장에서 흥분하고 다른 파장에서 방출되는 형광 입자를 사용합니다.레이저 빛은 이색 거울을 통해 반사되어 관심 지점에 초점을 맞춘 대물 렌즈를 통과하여 영역 볼륨을 비춥니다.입자로부터의 방출은 반사된 레이저 빛과 함께 대상인 이색 거울과 레이저 빛을 차단하는 방출 필터를 통해 다시 빛납니다.여기서 PIV는 레이저 시트의 평면 특성에서 2차원 분석 특성을 도출합니다.PIV는 대물렌즈가 한 번에 하나의 평면에만 초점을 맞추는 기능을 이용하여 눈에 보이는 ^[11][12]입자의 2차원 평면을 만듭니다.

마이크로PIV 입자는 직경 수백 nm 정도로 브라운 운동에 매우 민감합니다.따라서 이 기술에는 특별한 앙상블 평균 분석 기법을 사용해야 한다.일련의 기본 PIV 분석의 교차 상관을 함께 평균화하여 실제 속도장을 결정한다.따라서 안정적인 흐름만 조사할 수 있습니다.영상이 배경 노이즈와 낮은 신호 잡음 비율에 의한 제로 변위 편견을 갖는 경향이 있기 때문에 특별한 전처리 기법도 사용해야 합니다.통상, 가능한 최대 발광광을 포착하기 위해서도, 높은 개구부 목표를 사용합니다.광학적 선택도 같은 이유로 중요하다.

홀로그래픽 PIV

홀로그래픽 PIV(Holographic PIV)는 입자에 의해 산란된 간섭광의 간섭과 기준빔을 이용하여 센서 평면에 입사하는 산란광의 진폭과 위상정보를 부호화하는 다양한 실험기술을 포함한다.홀로그램으로 알려진 이 인코딩된 정보는 광학 방법이나 디지털 근사치를 통해 원래의 기준 빔으로 홀로그램을 조명함으로써 원래의 강도 필드를 재구성하는 데 사용될 수 있습니다.강도 장은 속도장을 산출하기 위해 3D 교차 상관 기법을 사용하여 조사된다.

축외 HPIV는 별도의 빔을 사용하여 물체와 기준파를 제공합니다.이 설정은, 산란 매체내의 2개의 파형의 간섭으로부터 발생하는 스펙클 노이즈의 발생을 회피하기 위해서 사용됩니다.스펙클 노이즈는, 양쪽 모두 매체를 통해 전파되는 경우에 발생합니다.축외 실험은 수많은 광학 소자로 구성된 매우 복잡한 광학 시스템으로, 보다 완전한 설명을 위해 독자를 현당 등의 ^[13]도식 예를 참조한다.

인라인 홀로그래피는 입자 이미징에 몇 가지 독특한 장점을 제공하는 또 다른 접근법이다.아마도 그 중 가장 큰 것은 전방 산란광의 사용일 것이다. 이것은 빔 방향에 대한 산란 방향의 정상 산란광보다 훨씬 밝다.또한 이러한 시스템의 광학 설정은 잔광이 다른 위치에서 분리 및 재결합될 필요가 없기 때문에 훨씬 더 간단하다.인라인 구성은 CCD 센서를 적용하기에 비교적 쉬운 확장을 제공하며 디지털 인라인 홀로그래피로 알려진 별도의 실험 클래스를 만듭니다.이러한 설정의 복잡성은 광학 설정에서 시뮬레이션 기준 빔을 사용하는 영상 후 처리로 이동합니다.이러한 토픽에 대한 자세한 설명은 이 문서에서는 다루지 않으며 Arroyo^[14] 및 Hinsch에서 다루어집니다.

다양한 문제가 HPIV 결과의 품질을 저하시킵니다.첫 번째 이슈는 재건 그 자체에 관한 것이다.홀로그래피에서 입자의 물체파는 전형적으로 구형이라고 가정하지만, Mie 산란 이론에 의해 이 파동은 재구성된 입자를 왜곡시킬 수 있는 복잡한 형태이다.또 다른 문제는 입자 이미지의 전체적인 신호 대 잡음비를 낮추는 상당한 스펙클 노이즈의 존재입니다.기준 빔이 산란된 물체 빔과 함께 볼륨을 통해 전파되기 때문에 이 효과는 인라인 홀로그래픽 시스템에서 더욱 우려됩니다.또한 온도 변화나 창문 잡티와 같은 산란 매체의 불순물을 통해 노이즈가 유입될 수 있습니다.홀로그래피는 일관된 이미징을 필요로 하기 때문에 이러한 효과는 기존의 이미징 조건보다 훨씬 더 심각합니다.이러한 요인의 조합은 상관 프로세스의 복잡성을 증가시킵니다.특히 HPIV 녹음의 스펙클 노이즈는 기존의 이미지 기반 상관법을 사용하지 못하는 경우가 많습니다.대신, 단일 입자 식별 및 상관 관계가 구현되어 입자 수 밀도의 한계를 설정합니다.이러한 오류 발생원에 대한 보다 포괄적인 개요는 Meng 등에 제시되어 있다.^[15]

이러한 문제에 비추어 볼 때 HPIV는 너무 복잡하고 오류가 발생하기 쉬워서 흐름 측정에 사용할 수 없는 것으로 보일 수 있습니다.그러나 모든 홀로그래픽 접근으로 많은 인상적인 결과를 얻었다.Svizher와^[16] Cohen은 헤어핀 소용돌이의 물리학을 연구하기 위해 하이브리드 HPIV 시스템을 사용했습니다.Tao ^[17]등은 높은 레이놀즈 수 난류에서 소용돌이도와 변형률 텐서의 정렬을 조사했다.마지막 예로는 현당 ^[13]등이 있다.홀로그래픽 현미경을 사용하여 난류 경계층의 난류 전단 응력과 속도를 벽 가까이에서 측정했습니다.

스캔 PIV

회전 미러, 고속 카메라를 사용해 기하학적 변화를 보정하는 것으로, 플로우 필드 전체의 평면 세트상에서 거의 즉시 PIV를 실시할 수 있다.그런 다음 평면 사이의 유체 특성을 보간할 수 있습니다.따라서 대상 볼륨에 대해 준볼륨 분석을 수행할 수 있습니다.스캔 PIV는 3차원 볼륨 분석의 근사치를 위해 설명된 다른 2차원 PIV 방법과 함께 수행할 수 있습니다.

단층 촬영 PIV

단층 촬영 PIV는 3D 측정 볼륨 내에서 추적기 입자의 조명, 기록 및 재구성을 기반으로 합니다.이 기술은 여러 대의 카메라를 사용하여 조명된 볼륨의 동시 보기를 기록한 다음 이산화된 3D 강도 필드를 생성하도록 재구성됩니다.3차원 상호상관 알고리즘을 사용하여 강도장 쌍을 분석하여 볼륨 내의 3차원, 3C 속도장을 계산한다.이 기술은 Elsinga ^[19]등에 의해 2006년에 처음 개발되었다^[18].

재구성 절차는 충분히 결정되지 않은 복잡한 ^{[citation needed]}역문제이다.가장 큰 문제는 다수의 3-D 볼륨에서 단일 뷰 세트가 생성될 수 있다는 것입니다.보기 집합에서 고유한 볼륨을 올바르게 결정하는 절차는 단층 촬영 분야의 기초가 됩니다.대부분의 Tomo-PIV 실험에서는 MART(승법적 대수 재구성 기법)가 사용된다.이 픽셀 단위 재구성 기술의 장점은 개별 ^{[citation needed]}입자를 식별할 필요가 없다는 것입니다.그discretized 3-D강도 분야 Reconstructing computationally고, MART을 넘어서, 여러 발전 크게 예를 들어 이 계산 비용은 3D의 결핍의 것을 이용하는 것은 여러 가시 거리 내 동시에 증가하는 대수적 영상 구성 기법(MLOS-SMART)[20]을 줄이기 위해 노력했다 집중적이다.에서메모리 저장 및 계산 요건을 줄이기 위한 경향 필드입니다.

경험에 비추어 볼 때, 허용 가능한 재구성 정확도를 얻으려면 적어도 4개의 카메라가 필요하며, 카메라를 측정 ^[19]볼륨에 대해 약 30도에 배치했을 때 최상의 결과를 얻을 수 있습니다.성공적인 ^{[citation needed]}실험을 위해서는 많은 추가 요인이 필요합니다.

Tomo-PIV는 광범위한 흐름에 적용되어 있습니다.예를 들어 난류 경계층/충격파 ^[21]상호작용의 구조, 실린더^[22] 웨이크 또는 피칭 ^[23]에어포일의 소용돌이성, 로드 에어포일의 공기 ^[24]음향 실험 및 소규모 마이크로 ^[25]플로우 측정이 포함됩니다.최근 들어, Tomo-PIV는 포식자와 사료의 ^[26][27]상호작용을 이해하기 위해 3차원 입자 추적 속도계와 함께 사용되었고, 휴대용 버전의 Tomo-PIV는 남극의 독특한 ^[28]수영 유기체를 연구하는데 사용되었다.

서모그래픽 PIV

서모그래피 PIV는 서모그래피 인광기를 시딩 입자로 사용하는 것에 기초하고 있습니다.이러한 열전형 인광기를 사용하면 흐름의 속도와 온도를 동시에 측정할 수 있습니다.

서모그래피 인광기는 희토류 또는 전이 금속 이온을 도핑한 세라믹 호스트 물질로 구성되며, 자외선으로 비추면 인광을 나타냅니다.이 인광의 붕괴 시간과 스펙트럼은 온도에 민감하며 온도를 측정하는 두 가지 다른 방법을 제공합니다.붕괴 시간 방법은 지수 함수에 대한 인광 붕괴의 적합으로 구성되며 표면 측정에서 입증되었지만 일반적으로 점 측정에 사용됩니다.스펙트럼 필터를 사용하여 추적되는 인광 방출의 서로 다른 두 스펙트럼 라인 간의 강도 비율도 온도에 의존하며 표면 측정에 사용할 수 있다.

서모그래픽 PIV에 사용되는 마이크로미터 크기의 형광체 입자는 트레이서로서 플로우 내에 시드되며 얇은 레이저 광시트로 조명된 후 일반적으로 강도비 기술을 사용하여 인광에서 입자의 온도를 측정할 수 있습니다.입자는 흐름을 만족스럽게 따를 뿐만 아니라 신속하게 온도를 추정할 수 있도록 크기가 작은 것이 중요합니다.직경이 2µm인 경우 입자와 기체 사이의 열 슬립은 속도 슬립만큼 작다.

형광체의 조명은 UV를 사용하여 이루어집니다.대부분의 열전형 인광기는 UV의 넓은 대역에서 빛을 흡수하므로 YAG:Nd 레이저를 사용하여 들뜨게 할 수 있습니다.이론적으로는 PIV와 온도 측정 모두에 동일한 빛을 사용할 수 있지만, 이는 자외선에 민감한 카메라가 필요하다는 것을 의미합니다.실제로는 별도의 레이저에서 발생하는 두 개의 다른 빔이 겹칩니다.빔 중 하나는 속도 측정에 사용되고 다른 하나는 온도 측정에 사용됩니다.

서모그래피 인광기의 사용은 반응성 및 고온 환경에서의 생존 능력, 화학적 안정성 및 압력 및 가스 조성에 대한 인광 방출의 둔감성 등 몇 가지 이점을 제공합니다.또한 열전형 인광기는 다른 파장에서 빛을 방출하여 들뜸 빛과 배경을 스펙트럼으로 구별할 수 있습니다.

서모그래픽 PIV는 시간 평균 및 싱글샷 측정에 대해 시연되었습니다.최근에는 시간 분해형 고속(3kHz) 측정도 성공적으로 수행되었습니다.

인공지능 PIV

인공지능의 발달과 함께 딥러닝과 컨볼루션 뉴럴 네트워크를 기반으로 한 PIV 계산을 제안하는 과학 출판물과 상용 소프트웨어가 있다.사용되는 방법론은 주로 기계 시각에서 널리 사용되는 광유동 신경망에서 비롯된다.파티클 화상을 포함한 데이터 세트가 생성되어 네트워크의 파라미터를 훈련한다.그 결과 PIV를 위한 심층 신경 네트워크가 생성되어 기록된 이미지가 허용하는 경우 1픽셀당 최대 1벡터까지 조밀한 움직임을 추정할 수 있습니다.AI PIV는 질문 창의 크기에 따라 제한되지 않는 고밀도 속도 필드를 제공하므로 기존 PIV는 16 x 16 ^[32]픽셀당 1개의 벡터로 제한됩니다.

PIV 실시간 처리 및 응용 프로그램

디지털 기술의 발달로 PIV의 실시간 처리와 응용이 가능해졌다.예를 들어 GPU는 단일 질문창의 푸리에 변환 기반의 상관관계를 실질적으로 고속화하기 위해 사용할 수 있다.마찬가지로 여러 CPU 또는 멀티코어 CPU에서의 멀티프로세서, 병렬 또는 멀티스레딩 프로세스는 여러 질문창 또는 여러 이미지를 분산 처리하는 데 유용합니다.일부 응용 프로그램은 실시간 이미지 처리 방법을 사용합니다. 예를 들어, FPGA 기반 이미지 압축이나 이미지 처리입니다.최근에는 플로우 베이스 ^[33]피드백으로 향후 액티브플로우 제어에 사용할 수 있도록 PIV 실시간 측정 및 처리 기능이 구현되어 있습니다.

적용들

PIV는 풍동 내 항공기 날개 위의 흐름에서 인공 심장 밸브 내 소용돌이 형성에 이르기까지 광범위한 흐름 문제에 적용되어 왔다. 난류 및 제트 분석을 위한 3차원 기술이 모색되어 왔다.

상호 상관 관계에 기초한 기본적인 PIV 알고리즘은 몇 시간 안에 구현할 수 있지만, 더 정교한 알고리즘은 상당한 시간을 투자해야 할 수 있습니다.몇 가지 오픈소스 구현을 사용할 수 있습니다.산업연구 등급 PIV 시스템의 높은 가격과 안전성 문제로 인해 미국 교육 시스템에 PIV의 적용은 제한되었습니다.

입상 PIV: 입상 흐름 및 눈사태에서의 속도 측정

또한 PIV는 흔들린 용기,^[34] 텀블러^[35] 및 눈사태와 같은 입상 흐름에서 자유 표면 및 기저 경계의 속도장을 측정하는 데 사용할 수 있다.이 분석은 특히 지구 물리학에서 일반적인 모래, 자갈, 석영 또는 기타 입상 물질과 같은 비투명 매체에 적합합니다.이 PIV 어프로치를 「입상 PIV」라고 부릅니다.입상 PIV의 설정은 입상 흐름의 표면을 조명함으로써 생성되는 광학 표면 구조가 이미 움직임을 검출하기에 충분하다는 점에서 일반적인 PIV 설정과 다릅니다.즉, 벌크 재료에 트레이서 입자를 추가할 필요가 없습니다.

「 」를 참조해 주세요.

• 디지털 이미지 상관 관계
• 열선 풍속계
• 레이저 도플러 속도계
• 분자 태깅 속도계
• 입자 추적 속도계

참고 문헌

• Raffel, M.; Willert, C.; Wereley, S.; Kompenhans, J. (2007). Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. Springer-Verlag. ISBN 978-3-540-72307-3.
• Adrian, R.J.; Westerweel, J. (2011). Particle Image Velocimetry. Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-44008-0.

메모들

레퍼런스

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• Adrian, R.J. (2005). "Twenty years of particle image velocimetry". Experiments in Fluids. 39 (2): 159–169. Bibcode:2005ExFl...39..159A. CiteSeerX 10.1.1.578.9673. doi:10.1007/s00348-005-0991-7.
• 캣츠 J.; 현당 J. (2010년)유체역학 및 입자역학에서의 홀로그래피 응용.유체역학의 연례 리뷰 42: 531-555 비브코드: doi: 10.1146/anurev-fluid-12108-145508.
• Santiago, J. G.; Wereley, S. T.; Meinhart, C. D.; Beebe, D. J.; Adrian, R. J. (1998). "A micro particle image velocimetry system". Experiments in Fluids. 25 (4): 316–319. CiteSeerX 10.1.1.126.466. doi:10.1007/s003480050235.
• Fouras, A.; Dusting, J.; Lewis, R.; Hourigan, K. (2007). "Three-dimensional synchrotron x-ray particle image velocimetry". Journal of Applied Physics. 102 (6): 064916–064916–6. Bibcode:2007JAP...102f4916F. doi:10.1063/1.2783978.
• Wereley, S.T.; Meinhart, C.D. (2010). "Recent Advances in Micro-Particle Image Velocimetry". Annual Review of Fluid Mechanics. 42 (1): 557–576. Bibcode:2010AnRFM..42..557W. doi:10.1146/annurev-fluid-121108-145427.

외부 링크

Curlie에서의 테스트 및 측정

실험 유체 역학 연구소(J. Katz lab)의 PIV 연구