Кіріспе

Бөлшектерді бақылау жылдамдық өлшеуіші (PTV) – жылдамдық өлшеу әдісі, яғни қозғалатын объектілердің жылдамдықтары мен траекторияларын өлшеуге арналған техника. Сұйықтық механикасы саласындағы зерттеулерде бұл объектілер сұйық ағынындағы бейтарап күйдегі бөлшектер болып табылады. Аты айтқандай, жеке бөлшектер қадағаланады, сондықтан бұл әдіс Лагранж әдісі болып табылады. Бұл, бөлшектердің бейнелік жылдамдық өлшеуішінен (PIV) өзгеше, ол Эйлер әдісі болып табылады және сұйықтың жылдамдығын бақылау нүктесінен өтетін кезде өлшейді, яғни кеңістікте бекітілген нүктеде. Эксперименттік PTV әдістерінің екі түрі бар: екі өлшемді (2D) PTV. Өлшемдер 2D қимада жүргізіледі, оны жұқа лазерлік сәуле (жіңішке жазықтық) жарықтандырады; орналастырылған бөлшектердің төмен тығыздығы оларды бірнеше кадр бойы жеке-жеке қадағалауға мүмкіндік береді. Үш өлшемді бөлшектерді бақылау жылдамдық өлшеуіші (3D PTV) – толық турбулентті ағындарды зерттеу үшін бастапқыда әзірленген ерекше тәжірибелік техника. Қазір ол құрылымдық механика зерттеулерінен бастап медицина және өнеркәсіптік салаларға дейін әртүрлі салаларда кеңінен қолданылады. Ол стереоскопиялық орналасудағы көп камералы жүйеге, бақылау көлемін үш өлшемді жарықтандыруға, ағын трассерлері (жарықтандырылған бөлшектер) стереоскопиялық бейнелерінің уақыт тізбегін жазуға, фотограмметриялық әдістерді қолдану арқылы кеңістіктегі олардың 3D орнын анықтауға және уақыт бойынша олардың қозғалысын қадағалауға негізделген, осылайша оптикалық трассерлердің 3D траекториялары жиынтығын алуға болады. Уақыт бойынша шешілетін үш өлшемді бөлшектерді бақылау жылдамдық өлшеуіші 4D PTV деп аталады.

Сипаттама

3D бөлшектік іздеу жылдамдық өлшегіші (PTV) турбулентті ағындарды зерттеуде қолданылатын толық өріс жылдамдық өлшеуіш техникалары класына жатады, екі немесе үш кеңістіктік өлшемдегі митттік жылдамдық пен айналу шамаларын анықтауға мүмкіндік береді. 3D PTV сұйық элементтердің траекториялары түріндегі 3 компонентті жылдамдық векторларының уақыт қатарын қамтамасыз етеді. Кез келген уақыт сәтінде деректердің тығыздығы бір куб сантиметрге 10 жылдамдық вектордан асып түсуі мүмкін. Әдіс стереоскопиялық бейнелеуге (2-ден 4 камераға дейін) және ағындағы іздеушілердің – яғни ағындағы сұйықтықтағы шағын бөлшектердің – қозғалысын синхронды түрде жазуға негізделген, бұл іздеушілер стробты жарық көзімен жарықтандырылады. 3D бөлшектердің координаттары уақыт функциясы ретінде әрбір стереоскопиялық кадрлар жиынтығының бейне және фотограмметриялық талдауы арқылы шығарылады. 3D бөлшектердің орналасуы уақыт бойынша қадағаланады, бұл бөлшектердің траекторияларын анықтауға мүмкіндік береді. Жеке бөлшектердің кеңістікте тығыз жиынтығын жеткілікті ұзақ уақыт бойы бақылау (іздеу) және олардың қасиеттерін статистикалық талдау жасау мүмкіндігі турбулентті ағын процесін Лагранждық тұрғысынан сипаттауға мүмкіндік береді. Бұл 3D PTV әдісінің бірегей артықшылығы. 3D PTV-нің әдеттегі іске асырылуы екі, үш немесе төрт цифрлық камерадан тұрады, олар бұрыштық конфигурацияда орнатылып, ағында себілген іздеушілерден шағылысқан немесе люминесцентті жарықты синхронды түрде жазады. Ағын коллимацияланған лазерлік сәулемен немесе камераның кадр жылдамдығымен синхронды түрде импульсті жарық беретін басқа жарық көзімен жарықтандырылады, бұл қозғалатын оптикалық нысаналардың экспозиция уақытын қысқартуға және олардың әрбір кадрдағы орнын «қатыруға» мүмкіндік береді. Жарықтың когерентті немесе монохроматты болуына қатысты ешқандай шектеу жоқ; тек оның жарықтылығы бақылау көлеміндегі іздеуші бөлшектерді бейнелеу үшін жеткілікті болуы керек. Бөлшектер немесе іздеушілер люминесцентті немесе дифракциялық болуы мүмкін, олардың орналасуының дәлдігін арттыру үшін мүмкіндігінше көп кадрлар мен камераларда іздеуге болады. Принцип бойынша, кеңістікте бөлшектің үш координатасын анықтау үшін екі камера жеткілікті, бірақ практикалық жағдайлардың көпшілігінде үш немесе төрт камера қолданылады, бұл 3D орналасудың қанағаттанарлық дәлдігіне қол жеткізуге және толық турбулентті ағындарды зерттегенде траекториялардың санын арттыруға мүмкіндік береді.

3D-PTV схемалары

3D ПТВ схемаларының бірнеше түрі бар. Көптеген схемалар 3 немесе 4 CCD қолданады.

Реалдық уақыт режимімен бейне өңдеу схемалары

Лазерлік жарықтандырудың орнына бақылау көлемін жарықтандыру үшін ақ жарық қолдану, шығынды және денсаулық пен қауіпсіздік талаптарын едәуір төмендетеді. 3D ПТВ әдісін әзірлеу Цюрихтегі ЭТХ-ның Геодезия және Фотограмметрия институты мен Гидравлика институты арасындағы бірлескен жоба ретінде басталды. Техниканы одан әрі дамыту камерадағы FPGA чипін пайдалану арқылы бейнелерді нақты уақытта өңдеуді қамтиды.