Сұйықтардың жылдамдығын өлшеу әдістері

Кіріспе

Велометрия – сұйықтардың жылдамдығын өлшеу. Бұл көбінесе қарапайым деп есептелінетін, бірақ күтілгеннен әлдеқайда күрделі процестерді қамтитын міндет. Ол көбінесе сұйық динамикасы мәселелерін шешуге, сұйық желілерін зерттеуге, өнеркәсіптік және процестерді басқаруға, сондай-ақ сұйық ағыны сенсорларының жаңа түрлерін жасауға қолданылады. Жылдамдық өлшеу әдістеріне бөлшектік бейнелеу велометриясы және бөлшектік қадағалау велометриясы, молекулалық таңбалау велометриясы, лазерлік интерферометрия, ультрадыбыстық Доплер әдістері, Доплер сенсорлары және жаңа сигналды өңдеу әдістері жатады. Жалпы, жылдамдық өлшеулер Лагранж немесе Эйлер координаттық жүйелерінде жүргізіледі (Лагранж және Эйлер координаттарын қараңыз). Лагранж әдістері белгілі бір уақытта сұйық көлемінің жылдамдығын анықтайды, ал Эйлер әдістері белгілі бір уақытта өлшеу доменінің көлемінің жылдамдығын анықтайды. Осы айырмашылықтың классикалық мысалы – бөлшектік қадағалау велометриясы, ондағы мақсат – жеке ағын іздеуші бөлшектердің жылдамдығын табу (Лагранждық), ал бөлшектік бейнелеу велометриясы, ондағы мақсат – көру өрісінің кіші аймағындағы орташа жылдамдықты табу (Эйлерлік).

Тарих

Жылдамдық өлшеуіштің пайда болуы Леонардо да Винчи заманына дейін барып жетеді. Ол ағынға шөп тұқымдарын тастап, оның байқаған тұқымдардың траекторияларын сызып көрсеткен (Лагранж өлшемі). Соңында да Винчидің ағындылық визуализациялары оның жүрек-қан тамырлары жүйесін зерттеулерінде қолданылды, ол адам денесіндегі қан ағыны туралы көбірек білуге тырысты. Технологиялық шектеулерге байланысты Да Винчиге ұқсас әдістерге жуық төрт жүз жыл бойы қолданылды. 1833 жылы Феликс Саварт жасаған тағы бір маңызды зерттеу бар. Ол стробоскоптық құралды пайдаланып, су ағынының соққысын сызып көрсетті. 20-шы ғасырда Этьен Жюль Марейдің фотосурет техникасын қолдану арқылы түтін камерасының тұжырымдамасын енгізгені де елеулі үлес болды. Бұл модель ағынның бағытын және жылдамдығын бақылауға мүмкіндік берді, себебі бір-біріне жақын ағын сызықтары жылдам ағынды көрсетті. Егер ағында табиғи түрде өлшенетін бөлшектер болса, ағынды себудің қажеті жоқ. Сұйық ағынын есептеу үшін жылдамдық өлшегіш ақпараттың уақыт бойынша интеграциясын пайдалануға болады. Қозғалмалы беттердегі жылдамдық пен ұзындықты өлшеу үшін лазерлік беттік жылдамдық өлшегіштер қолданылады. Әдетте, сұйықтық бөлшектерді таңдауда оның меншікті салмағына қарай шектеу қояды; бөлшектер сұйықтықпен бірдей тығыздыққа ие болуы тиіс. Бұл жоғары үдеулі ағындарда (мысалы, 90 градус бұрылысты құбырдан өтетін жоғары жылдамдықты ағын) ерекше маңызды. Сондықтан, су және май сияқты ауыр сұйықтықтар жылдамдық өлшеуіш үшін өте қолайлы, ал ауа көптеген техникаларда қиындық тудырады, себебі ауамен бірдей тығыздыққа ие бөлшектерді табу сирек мүмкін. Дегенмен, PIV сияқты кең ауқымды өлшеу әдістері ауада да сәтті орындалды. Себу үшін қолданылатын бөлшектер сұйық тамшылар немесе қатты бөлшектер болуы мүмкін. Жоғары бөлшек концентрациясы қажет болғанда қатты бөлшектерге басымдық беріледі. Су мен майда қолданылатын әр түрлі арзан өнеркәсіптік бөлшектер бар, мысалы күміспен қапталған қуыс шыны шарлар (өткізгіш ұнтақтар, диаметрі он шақты микрометр) немесе бояулар мен жабындарда рефлекторлар мен текстуралау агенттері ретінде қолданылатын басқа да бөлшектер. Бөлшектердің шар тәрізді болуы міндетті емес; көптеген жағдайларда титан диоксиді бөлшектерін пайдалануға болады.

Velocimetry can be traced back to the days of Leonardo da Vinci, who would float grass seeds on a flow and sketch the resulting trajectories of the seeds that he observed (a Lagrangian measurement). Eventually da Vinci's flow visualizations were used in his cardio vascular studies, attempting to learn more about blood flow throughout the human body. Methods similar to da Vinci's were carried out for close to four hundred years due to technological limitations. One other notable study comes from Felix Savart in 1833. Using a stroboscopic instrument, he sketched water jet impacts. Another notable contribution occurred in the 20th century by Étienne Jules Marey who used photographic techniques to introduce the concept of the smoke box. This model allowed both for the directions of the flow to be tracked but also the speed, as streamlines closer together indicated faster flow. If the flow contains particles that can be measured naturally, seeding the flow is unnecessary. Temporal integration of velocimetric information can be used to totalize fluid flow. For measuring velocity and length on moving surfaces, laser surface velocimeters are used. The fluid generally limits the particle selection according to its specific gravity; the particles should ideally be of the same density as the fluid. This is especially important in flows with a high acceleration (for example, high speed flow through a 90 degree pipe elbow). Heavier fluids like water and oil are thus very attractive to velocimetry, whereas air ads a challenge in most techniques that it is rarely possible to find particles of the same density as air. Still, even large field measurement techniques like PIV have been performed successfully in air. Particles used for seeding can be both liquid droplets or solid particles. Solid particles being preferred when high particle concentrations are necessary. In water and oil there are a variety of inexpensive industrial beads that can be used, such as silver coated hollow glass spheres manufactured to be conductive powders (tens of micrometres diameter range) or other beads used as reflectors and texturing agents in paints and coatings. The particles need not be spherical; in many cases titanium dioxide particles can be used.

Тиісті қолданулар

PIV ұшақ шуын бақылау зерттеулерінде қолданылған. Бұл шу, қоршаған ортаның температурасымен ыстық газ-динамикалық ағынның жоғары жылдамдықта араласуынан пайда болады. PIV осы құбылысты модельдеуге мүмкіндік берді. Сонымен қатар, Доплерлік жылдамдық өлшеуіш жүктіліктің белгілі бір мерзіміндегі ұрықтың қалыпты дамуын инвазивті емес түрде анықтауға қолданылады.

Төрт өлшемді өкпе кескінін алу негізі

Велометрикалық өлшеулер медициналық суреттерде қан ағыны мен тіндердің қозғалысын аймақтық түрде өлшеу үшін де қолданылды. Алғашқыда стандартты PIV (бір жазықтықпен жарықтандыру) рентгендік суреттермен жұмыс істеуге бейімделді (көлемдік жарықтандыру), бұл қан ағыны сияқты көрінбейтін ағындарды өлшеуге мүмкіндік берді. Кейін бұл әдіс өкпе тінінің аймақтық 2D қозғалысын зерттеуге кеңейтілді және аймақтық өкпе ауруларын анықтауда жоғары сезімталдық көрсетті. Велометрикалық өлшеулер қан ағыны мен тіндердің қозғалысын 3D аймақтық түрде өлшеу үшін жаңа техникамен – компьютерлік томографиялық рентгендік велометриямен – дамытылды, ол 2D суреттер тізбектерінен 3D өлшеулерді алу үшін PIV қиылыс корреляциясындағы ақпаратты пайдаланады. Атап айтқанда, компьютерлік томографиялық рентгендік велометрия модельдік шешім жасайды, модельдің қиылыс корреляциясын 2D суреттер тізбегінен алынған қиылыс корреляциясымен салыстырады және модельдік қиылыс корреляциясы мен суреттер тізбегі арасындағы айырмашылық ең төмен деңгейге жеткенше модельдік шешімді қайталай береді. Бұл техника өкпенің функционалдық жай-күйін бағалау үшін инвазивті емес әдіс ретінде қолданылуда. Ол клиникалық жағдайда қолданылады және Дьюк университеті, Вандербильт университетінің медициналық орталығы және Орегон денсаулық сақтау ғылымдары университеті сияқты мекемелер жүргізген клиникалық сынақтарда пайдаланылады.