Particle Image Velocimetry

Основы метода

Particle Image Velocimetry (PIV) — оптический экспериментальный метод измерения скоростей в жидкостях и газах с помощью захвата последовательных изображений частиц, взвешенных в потоке.

Метод позволяет получить поле векторов скорости в плоскости или объёме, обеспечивая пространственное разрешение и высокую точность.

Принцип работы PIV

  1. Подготовка потока: В поток вводятся мелкие частицы, которые точно следуют за движением жидкости или газа (т.н. трекер-частицы).
  2. Освещение: Поток освещается лазерным листом (лазерный срез), создавая яркую плоскость для визуализации частиц.
  3. Фотосъемка: Камера с высокой частотой кадров фиксирует положение частиц в два последовательных момента времени, с малым интервалом Δt.
  4. Обработка изображений: Изображения разбиваются на малые области — интеррогейшн-окна. Для каждого окна вычисляется вектор смещения частиц по корреляции между двумя снимками.
  5. Вычисление скорости: Смещение Δx за время Δt даёт вектор скорости:

$$ \vec{v} = \frac{\Delta \vec{x}}{\Delta t} $$

Типы PIV

  • 2D PIV: Измеряет двухмерное поле скоростей в плоскости лазерного среза.
  • 3D PIV (Tomographic PIV): Использует несколько камер для восстановления трёхмерного поля скоростей.
  • Stereo PIV: С помощью двух камер получают двумерное поле скоростей с учётом третьей компоненты.

Выбор частиц

Частицы должны обладать следующими свойствами:

  • Мелкий размер (обычно 1–10 мкм), чтобы адекватно повторять движение жидкости.
  • Высокая отражательная способность для лазерного освещения.
  • Низкая плотность или близкая к плотности жидкости для минимизации инерции.

Ограничения и погрешности

  • Наличие турбулентности и большие градиенты скорости могут приводить к размытию изображения частиц.
  • Размер и концентрация частиц влияют на качество корреляции.
  • Погрешности возникают из-за параллакса, несовершенства оптики и обработки данных.

Области применения PIV

  • Исследование гидродинамики в трубопроводах, аэродинамика, биофлюидика.
  • Анализ потоков в реактивных двигателях, турбомашинах.
  • Изучение турбулентных и ламинарных течений.
  • Визуализация и измерения в микрофлюидики.

Итоги

Кипение и конденсация — ключевые процессы фазового перехода жидкости и пара, лежащие в основе множества природных и технических явлений, от работы холодильников до атмосферных процессов. Их изучение требует понимания термодинамики, механики жидкости и поверхностных эффектов.

Particle Image Velocimetry — современный, высокоточный метод измерения скоростей в жидкостях и газах, незаменимый в экспериментальной гидродинамике. PIV даёт возможность визуализировать сложные потоки и количественно оценивать поля скоростей с большой детализацией.

Оба направления — фундаментальные темы физики жидкости и газа, тесно связанные с практическими приложениями в науке и технике.

Оглавление