Развитие цифровой и компьютерной техники, изобретение цифровых кросскорреляционных камер для записи изображений, применение корреляционного анализа для определения смещения частиц укрепило позиции PIV среди оптических методов исследования потоков, сократило время регистрации и обработки на порядки.
Использование метода позволяет регистрировать мгновенные поля скоростей в плоскости измерения и наблюдать мгновенную картину течения в пределах плоскости лазерного ножа.
Преимущества метода:
- отсутствие возмущающего влияния на поток
- широкий динамический диапазон измеряемых скоростей (порядка 500:1), что позволяет использовать его для исследования сложных турбулентных течений
- возможность регистрировать мгновенные пространственные распределения скорости;
- возможность получения информации о динамике структур, их масштабов, расчета дифференциальных характеристик, пространственных и пространственно-временных корреляций, а также статистических характеристик потока.
Методы цифровой трассерной визуализации являются в настоящее время востребованными в практических приложениях:
- в авиастроительной индустрии
- в промышленных аэродинамических трубах – диагностика полной картины обтекания элементов летательных аппаратов, автомобилей, мостов, в энергетике, химической и нефтегазодобывающей промышленности, машиностроении (оперативная диагностика и оптимизация аэрогидродинамики в реальных аппаратах или их моделях)
- в медицине, при физическом моделировании работы искусственных сосудов и клапанов
Процедура работы PIV-метода показана на следующем рисунке:
Измерение мгновенного поля скорости в измерительной области потока основано на измерении перемещения трассеров, находящихся в этой области, за фиксированный промежуток времени ∆t между двумя вспышками двойного импульсного лазера. Измерительной областью считается часть плоскости лазерного ножа, определяемая параметрами регистрирующей оптической системы, например, цифровой камеры CCD. Последующая обработка изображения 1 и изображения 2 позволяет рассчитать смещение трассеров за время ∆t и построить двухкомпонентное поле векторов скорости. Двухкомпонентные значения векторов скорости являются проекциями реальных (трёхмерных) векторов скорости потока в измерительной области на плоскость регистрирующей оптической системы (модуля).
PIV-метод использует корреляционные алгоритмы обработки трассерных изображений, при которых поле течения разбивается на элементарные расчётные области, для каждой из которых вычисляется корреляционная функция сдвигов частиц. Существуют два основных типа корреляционных алгоритмов:
- автокорреляционный, при котором цифровой камерой фиксируются начальные и конечные положения трассеров на одном снимке
- кросскорреляционный, при котором начальные и конечные положения трассеров фиксируются на разные кадры, полученные в два последовательных момента времени с задержкой во времени между ними ∆t
Каждое изображение измерительной области разбивается на элементарные (расчётные) области размером Х на Х пикселей таким образом, чтобы в каждую расчётную область попало хотя бы несколько трассеров. Размер и количество расчётных областей остаются постоянными для измерительной области в течение вычисления поля скоростей в ней. На втором (конечном) изображении расчётной области определяется зона поиска, размер которой следует ограничивать на максимальное измеряемое смещение трассера внутри расчётной области. Оптимальное измеряемое смещение в PIV-методе равно четверти линейного размера расчетной области, в соответствии с теоремой Котельникова-Найквиста.
По известной временной задержке между импульсами лазера ∆t и рассчитанному наиболее вероятному перемещению трассера D в расчётной области можно посчитать скорость:
V = S D / ∆t
где: S – масштабный коэффициент для пересчёта скорости в м/с.
Подобная операция, произведённая для элементарных расчётных областей, позволяет рассчитать мгновенное поле скорости в измерительной области. Мгновенное поле скорости означает поле скорости, осреднённое за промежуток времени ∆t , которое, как правило, на два или три порядка ниже минимальных характерных времён потока.
В процессе корреляционной обработки изображений используются:
- стандартная техника наложения окон
- фильтрация корреляционной функции в частотной области
При расчёте поля скорости используются итерационные алгоритмы, методы коррекции ошибочных векторов, методы отсева ошибочных векторов, что способствует повышению точности расчёта и увеличению динамического диапазона измерений.
После измерения достаточно большого количества полей мгновенной скорости для стационарного турбулентного потока можно рассчитать поля статических моментов турбулентных пульсаций различных порядков:
- компоненты средней скорости
- моменты второго порядка или напряжения Рейнольдса
- моменты третьего порядка и т.д.
