Particle Image Velocimetry

Particle Image Velocimetry

La velocimetría por imagen de partículas (PIV – Particle Image Velocimetry) es una técnica usada ampliamente en la caracterización de flujos que provee mediciones de vectores de velocidad de forma instantánea a través de la sección transversal de un flujo. Dos componentes de la velocidad son medidos, pero se usa una técnica de enfoque estereoscópica que permite que los tres componentes del vector velocidad sean capturados.  El su de cámaras digitales de última generación y hardware de computo dedicado, resulta en el mapeo de velocidades en tiempo real. 

Características: 

  • Técnica no destructiva que mide velocidad de partículas micrométricas que siguen la trayectoria del flujo. 
  • Rangos de velocidad desde cero hasta supersónicas
  • Provee mapas de vectores de velocidad de forma instantánea a través de la sección transversal de un flujo. 
  • los tres componentes de la velocidad pueden ser obtenidos con el uso de un arreglo espectroscópico.
  • Secuencia de mapas de velocidad, estáticos, correlación espacial y otros datos relevantes están disponibles

Los resultados de la técnica Particle Image Velocimetry son similares a los obtenidos por dinámica computacional de flujos   (CFD-computational fluid dynamics) por ejemplo, grandes simulaciones de remolinos, y mapas de velocidad en tiempo real son herramientas fundamentales para los investigadores de la fluidodinámica. 

Principio de operación: 

 

Diagrama del proceso para adquirir perfiles de velocidad por Particle Image Velocimetry

Esquema de sistema de medición Particle Image Velocimetry

El flujo es iluminado en el área objetivo con una lámina de luz. Los lentes de la cámara toman la imagen del área objetivo dentro del arreglo de sensores de una cámara digital. La cámara esta disponible para capturar cada pulso de luz en cuadros de imágenes separadas. 

Una vez un secuencia de dos pulsos de luz son grabados, las imágenes son divididas en pequeños segmentos de área llamados área interrogante IA- interrogation areas. Las IA desde cada cuadro de imagen, I1 e I2, son inter-correlacionados con cada otro, pixel por pixel. 

La correlación produce un pico de señal, identificando el desplazamiento común de las partículas, DX. Una medición exacta del desplazamiento – así como de su velocidad – es logrado con interpolación subpixel.

Un mapa de vectores de velocidad sobre el total del área objetivo es obtenida por la repetición de la inter-correlación para cada AI sobre los dos cuadros de imagen capturados por la cámara. 

La correlación de dos IA área interrogante, I1 e I2 , resulta en el desplazamiento de partículas DX, representado por un pico de señal en la correlación C(DX).

Seguimiento de partículas 

Adquiriendo ambos pulsos de luz en el mismo cuadro de imagen para seguir el movimiento de las partículas da una clara visualización de la estructura del flujo. En flujos de aire, la partículas monitoriadas son típicamente gotas de aceite en el rando de 1 um a 5 um. 

Para aplicaciones con agua, las partículas monitoriadas son típicamente esferas fabricadas de poliestireno, poliamida o vidrio hueco en el rango de 5 um a 10 um.

Cualquier partícula que siga el flujo estacionariamente y disperse la luz para ser capturada por la cámara podrá ser usada. 

El número de partículas en el flujo es importante para obtener un buen pico de señal en la inter-correlación. Como regla general, 10 a 25 partículas deberían ser observadas en cada área incógnita IA. 

Imagen de partículas en un área incognita IA

Cuando el tamaño del área incognita IA, la magnificación de la imagen y el espesor de la lámina de luz son conocidas, la medición del volumen puede ser definida. 

Resolución espacial y rango dinámico

Para definir una medición en Particle Image Velocimetry, la longitud lateral del área incógnita IA, dIA, y la magnificación de la imagen s’/s son equilibrados contra el tamaño de la estructura del flujo, para poder resolver la técnica PIV. 

Un camino para expresar esto es adquirir el gradiente de velocidad para ser pequeña con el área incognita IA: 

\frac{\frac{ s^{\alpha}}{s}\cdot\left \| V_{max}-V_{min} \right \|_{IA}\cdot\bigtriangleup t }{d_{IA}} \lt 5%

La más alta velocidad medible está restringida por partículas que viajan a través del área incógnita IA en el tiempo Dt. El resultado es una perdida de correlación entre los dos marcos de imágenes lo que conlleva a la perdida de información de velocidad. Como regla general: 

\frac{\frac{ s^{\alpha}}{s}\cdot V\cdot\bigtriangleup t }{d_{IA}} \lt 25%

Cuando el tamaño del área incógnita, la magnificación de la imagen y el espesor de la hoja de luz son conocidos, la medición del volumen puede ser definida. 

Mapa de vectores a partir de Particle Image Velocimetry

Mapa vectorial de velocidad y vorticidad derivada, w

Configuraciones de sistemas Particle Image Velocimetry – PIV: 

Stereo PIV mide las tres componentes de la velocidad en un plano (2D3C) usando dos cámaras.

Volumetric Velocimetry (también conocidad como TOMO PIV) mide los tres componentes de la velocidad en un volumen (3D3C) usando dos cámaras o más dependiendo del propósito.

Time resolved PIV se beneficia de los avances en la tecnología CMOS de las cámaras para adquirir imágenes PIV con velocidades de capturas de hasta 25600 fps (cuadros por segundo) con la máxima resolución de la cámara.

MicroPIV es usado para estudiar los flujos en micro-canales en dispositivos a nivel laboratorio.

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