Введение

Молекулярная маркировка скорости (МТВ) — это специфический вид измерений скорости потока, метод определения скорости течений в жидкостях, таких как воздух и вода. В простейшем варианте, единственный "записывающий" лазерный луч пропускается один раз через исследуемый объем. Вдоль его траектории инициируется оптически индуцированный химический процесс, приводящий к образованию нового химического вида или изменению внутреннего энергетического состояния существующего, что позволяет отличить молекулы, затронутые лазерным лучом, от остальной жидкости. Такие молекулы называют "маркированными". Эта линия маркированных молекул затем переносится потоком жидкости. Для получения информации о скорости, делаются и анализируются изображения, полученные в два разных момента времени (часто путем корреляции интенсивностей изображения), чтобы определить смещение. Если поток трехмерный или турбулентный, линия не только сместится, но и деформируется.

Описание

Существует три оптических способа визуализации этих маркированных молекул: флуоресценция, фосфоресценция и флуоресценция, индуцированная лазером (LIF). Во всех трех случаях молекулы переходят в более низкое состояние, и их избыточная энергия высвобождается в виде фотонов. При флуоресценции этот энергетический распад происходит быстро (в пределах с до с при атмосферном давлении), что делает "прямую" флуоресценцию непрактичной для маркировки. В фосфоресценции распад происходит медленнее, поскольку переход квантовомеханически запрещен. В некоторых схемах "записи" помеченная молекула оказывается в возбужденном состоянии. Если молекула расслабляется посредством фосфоресценции, длящейся достаточно долго, чтобы наблюдать смещение линии, это можно использовать для отслеживания записанной линии, и дополнительная визуализация не требуется. Если во время маркировки молекула не достигла фосфоресцирующего состояния или расслабилась до того, как молекула была "прочитана", необходим второй этап. Затем помеченная молекула возбуждается вторым лазерным лучом, с длиной волны, специфически возбуждающей помеченную молекулу. Молекула будет флуоресцировать, и эта флуоресценция регистрируется камерой. Этот способ визуализации называется лазерно-индуцированной флуоресценцией (ЛИФ). Оптические методы часто используются в современной скоростометрии жидкости, но большинство из них носят оптико-механический характер. Оптомеханические методы не полагаются исключительно на фотонику для измерения потока, а требуют макроскопического затравки. Наиболее известные и часто используемые примеры – скоростомерие изображений частиц (PIV) и лазерная доплеровская скоростометрия (LDV). В области полностью оптических методов можно выделить аналогичные методы, но использующие молекулярные трассеры. В доплеровских схемах свет квазиупруго рассеивается от молекул, а скорость молекул передает доплеровское смещение частоте рассеянного света. В методах молекулярной маркировки, как и в PIV, скоростометрия основана на визуализации смещения трассера.

Схемы

Методы МТВ доказали свою способность измерять скорости в сложных условиях, таких как реактивные двигатели, пламя и сосуды высокого давления, где применение таких методов, как трубка Пито, анемометрия горячей проволоки и PIV, затруднено. Область исследований МТВ относительно нова; первая демонстрация практической реализации состоялась в 1980-х годах, и количество разработанных и исследованных схем для использования в воздушной среде пока невелико. Эти схемы различаются по типу создаваемой молекулы, необходимости добавления в поток посторонних молекул и используемой длине волны света.

В газах

Наиболее детальные исследования механики жидкостей в газовой среде были проведены с использованием схем RELIEF и APART. Обе техники могут применяться в атмосферном воздухе без необходимости дополнительного засева. В схеме RELIEF в качестве трассера используется возбужденный кислород. Метод использует квантово-механические свойства, препятствующие релаксации молекулы, благодаря чему возбужденный кислород имеет относительно длительное время жизни. APART основан на "фотосинтезе" оксида азота. Поскольку NO – стабильная молекула, рисунки, созданные с его помощью, в принципе, можно отслеживать практически неограниченно долго. Еще одной хорошо разработанной и широко документированной техникой, обеспечивающей чрезвычайно высокую точность, является гидроксильная тагирующая вектография (HTV). Она основана на фотодиссоциации водяного пара с последующей визуализацией образовавшегося радикала OH с использованием LIF. HTV успешно продемонстрирована в различных тестовых условиях, от потоков воздуха при комнатной температуре до потоков со скоростью Mach 2 в полости.

В жидкостях

В жидкостях выделяют три подхода к МТВ: МТВ на основе прямого фосфоресценции (с использованием фосфоресцирующего красителя), абсорбции (с использованием фотохромного красителя) и флуоресценции фотопродуктов (обычно с использованием защищенного красителя). МТВ, основанный на прямом фосфоресценции, является наиболее простым в реализации, поскольку для создания люминесцентного возбужденного молекулярного состояния требуется всего один лазер. Сигнал фосфоресценции, как правило, слабее и сложнее в обнаружении, чем флуоресценция. Второй метод, называемый МТВ по абсорбции, основан на обратимом изменении флуоресцентных свойств фотохромного красителя. Эта схема показала хорошие результаты в спиртах и маслах, но не в воде, где типичные красители не растворимы. Третий вариант МТВ был впервые применен в жидкостях в 1995 году под названием "фотоактивированное неинтрузивное отслеживание молекулярного движения" (PHANTOMM). Метод PHANTOMM изначально использовал защищенный краситель на основе флуоресцеина, возбуждаемый синим лазером. В последнее время успешно применялись защищенные красители на основе родамина с импульсными УФ- и зелеными лазерами.