Введение
Велоциметрия – это измерение скорости жидкостей. Это задача, которую часто принимают как должное, и она включает в себя гораздо более сложные процессы, чем можно предположить. Она часто используется для решения задач гидродинамики, изучения жидкостных сетей, в промышленных и технологических приложениях управления, а также при создании новых типов датчиков расхода жидкости. Методы велосиметрии включают в себя велосиметрию изображений частиц и велосиметрию отслеживания частиц, молекулярную маркировочную велосиметрию, лазерную интерферометрию, ультразвуковые доплеровские методы, доплеровские датчики и новые методики обработки сигналов. В общем случае, измерения скорости проводятся в лагранжевой или эйлеровой системах отсчета (см. лагранжевы и эйлеровы координаты). Лагранжевы методы присваивают скорость объему жидкости в определенный момент времени, в то время как эйлеровы методы присваивают скорость объему измерительной области в определенный момент времени. Классическим примером этого различия является велосиметрия отслеживания частиц, где целью является определение скорости отдельных трассирующих частиц потока (лагранжева), и велосиметрия изображений частиц, где целью является определение средней скорости в пределах подрегиона поля зрения (эйлерова).
История
Скоростомерию можно проследить до времен Леонардо да Винчи, который пускал семена травы по потоку и зарисовывал траектории наблюдаемых им семян (лагранжево измерение). В конечном итоге визуализация потока, выполненная да Винчи, использовалась в его исследованиях сердечно-сосудистой системы, чтобы лучше понять кровоток в организме человека. Методы, подобные методам да Винчи, применялись на протяжении почти четырехсот лет из-за технологических ограничений. Еще одним заметным исследованием является работа Феликса Савара 1833 года. Используя стробоскопический прибор, он зарисовал удары водяных струй. Значительный вклад внёс и Этьен Жюль Маре в XX веке, применивший фотографические методы для разработки концепции дымовой камеры. Эта модель позволяла отслеживать как направления потока, так и его скорость, поскольку более плотно расположенные линии потока указывали на более высокую скорость. Если поток содержит частицы, которые можно измерить естественным путем, искусственное засеивание потока не требуется. Временная интеграция информации о скорости может использоваться для суммарной оценки расхода жидкости. Для измерения скорости и длины на движущихся поверхностях применяются лазерные поверхностные скоростомеры. Жидкость обычно ограничивает выбор частиц в зависимости от их удельного веса; в идеале частицы должны иметь плотность, близкую к плотности жидкости. Это особенно важно в потоках с высоким ускорением (например, при быстром течении через колено трубы на 90 градусов). Более тяжелые жидкости, такие как вода и масло, поэтому особенно подходят для скоростометрии, в то время как воздух представляет собой проблему для большинства методов, поскольку редко удается найти частицы с плотностью, равной плотности воздуха. Тем не менее, даже масштабные методы измерений, такие как PIV, успешно применялись в воздухе. Частицы, используемые для засеивания, могут быть как жидкими каплями, так и твердыми частицами. Твердые частицы предпочтительнее, когда требуется высокая концентрация частиц. В воде и масле существует множество недорогих промышленных гранул, которые можно использовать, например, полые стеклянные сферы с серебряным покрытием, предназначенные для изготовления проводящих порошков (диаметром в десятки микрометров), или другие гранулы, используемые в качестве отражателей и текстурирующих агентов в красках и покрытиях. Частицы не обязательно должны быть сферическими; во многих случаях можно использовать частицы диоксида титана.
Соответствующие применения
ПИВ использовался в исследованиях для контроля шума самолетов. Этот шум возникает из-за быстрого смешивания горячих выхлопных газов реактивной струи с температурой окружающей среды. ПИВ применялся для моделирования этого явления. Кроме того, допплеровская велосиметрия позволяет неинвазивно определять, соответствует ли размер плода установленному сроку беременности.
Основа для четырехмерной визуализации легких
Велометрию также применяют к медицинским изображениям для получения региональных измерений кровотока и движения тканей. Изначально стандартный PIV (одноплостное освещение) был адаптирован для работы с рентгеновскими изображениями (полнообъемное освещение), что позволило измерять непрозрачные потоки, такие как кровоток. Затем это было расширено для исследования регионального 2D-движения ткани легких, и было установлено, что это чувствительный показатель региональных заболеваний легких. Велометрия также была расширена до 3D-региональных измерений кровотока и движения тканей с помощью нового метода – компьютерной томографической рентгеновской велометрии, который использует информацию, содержащуюся в PIV-перекрестной корреляции, для получения 3D-измерений из последовательностей 2D-изображений. В частности, компьютерная томографическая рентгеновская велометрия генерирует модельное решение, сравнивает перекрестные корреляции модели с перекрестной корреляцией из последовательности 2D-изображений и итеративно уточняет модельное решение до тех пор, пока разница между перекрестными корреляциями модели и последовательности изображений не будет сведена к минимуму. Этот метод используется как неинвазивный способ количественной оценки функционального состояния легких. Он применяется в клинической практике и используется в клинических испытаниях, проводимых такими учреждениями, как Университет Дьюка, Медицинский центр Университета Вандербильта и Университет медицинских наук штата Орегон.