miniatuur|Werking van een PIV-systeem Particle image velocimetry (PIV) is een optische methode voor stroomvisualisatie die wordt gebruikt in onderwijs en onderzoek.LaVision – We count on photonsDantec Dynamics – laser optical measurement systems sensorsILA_5150 - Particle Image Velocimetry (PIV) Solutions Het wordt gebruikt om momentane snelheidsmetingen en gerelateerde eigenschappen in vloeistoffen te verkrijgen. De vloeistof wordt "bezaaid" met tracerdeeltjes waarvan wordt aangenomen dat ze de stroming getrouw volgen (de mate waarin de deeltjes de stroming getrouw volgen, wordt weergegeven door het stokes-getal). De vloeistof (of lucht) met meegevoerde deeltjes wordt belicht zodat deeltjes zichtbaar zijn. De beweging van de zaaideeltjes wordt gebruikt om de snelheid en richting (het snelheidsveld) van de bestudeerde stroming te berekenen. Praktisch gezien wordt dit belichten gedaan door het zenden van laserpulsen. De laserstraal wordt door een lenzenstelsel uitgewaaierd tot een heel dunne lichtband (sheet laser, zie figuur). Hierdoor worden alleen de deeltjes in een dun vlak belicht, de deeltjes die daarbuiten vallen worden dus "niet gezien". Er wordt een opname gemaakt met een camera die gekoppeld is aan de laser. Door twee opvolgende opnames te vergelijken kan de verplaatsing van de individuele deeltjes bepaald worden, en daarmee dus ook de snelheid van die deeltjes.
PIV en andere technieken Andere technieken die worden gebruikt om stromen te meten zijn laser-doppler-snelheidsmetrie en gloeidraad-anemometrie. Het belangrijkste verschil tussen PIV en deze technieken is dat PIV tweedimensionale of zelfs driedimensionale vectorvelden produceert, terwijl de andere technieken de snelheid op een punt meten. Tijdens PIV is de deeltjesconcentratie zodanig dat het mogelijk is om individuele deeltjes in een afbeelding te identificeren, maar niet met zekerheid om deze tussen afbeeldingen te volgen. Wanneer de deeltjesconcentratie zo laag is dat het mogelijk is een individueel deeltje te volgen, wordt dit deeltjesvolgsnelheidsmeting genoemd, terwijl laserspikkelsnelheidsmeting wordt gebruikt voor gevallen waarin de deeltjesconcentratie zo hoog is dat het moeilijk is om individuele deeltjes in een beeld waar te nemen.
Een typisch PIV-apparaat bestaat uit een camera (normaal gesproken een digitale camera met een CCD-chip (charge-coupled device) in moderne systemen), een flitser of laser met een optische opstelling om het verlichte fysieke gebied te beperken (normaal gesproken een cilindrische lens om licht om te zetten straal naar een lijn), een synchronisator die fungeert als een externe trigger voor de bediening van de camera en laser, de zaaideeltjes en de onderzochte vloeistof. Een glasvezelkabel of vloeistoflichtgeleider kan de laser verbinden met de lensopstelling. PIV-software wordt gebruikt om de optische beelden na te bewerken.
Geschiedenis Particle image velocimetry (PIV) is een niet-intrusieve optische stroommeettechniek die wordt gebruikt om vloeistofstroompatronen en -snelheden te bestuderen. PIV heeft wijdverspreide toepassingen gevonden op verschillende gebieden van wetenschap en techniek, waaronder aerodynamica, verbranding, oceanografie en biovloeistoffen. De ontwikkeling van PIV gaat terug tot het begin van de 20e eeuw, toen onderzoekers verschillende methoden begonnen te onderzoeken om de vloeistofstroom te visualiseren en te meten.
De begindagen van PIV kunnen worden toegeschreven aan het baanbrekende werk van Ludwig Prandtl, een Duitse natuurkundige en ingenieur, die vaak wordt beschouwd als de vader van de moderne aerodynamica. In de jaren twintig gebruikten Prandtl en zijn collega's schaduwgrafieken en schlieren-technieken om stromingspatronen in windtunnels te visualiseren en te meten. Deze methoden waren gebaseerd op de brekingsindexverschillen tussen de vloeistofgebieden van belang en het omringende medium om contrast in de beelden te genereren. Deze methoden waren echter beperkt tot kwalitatieve waarnemingen en leverden geen kwantitatieve snelheidsmetingen op.
De vroege PIV-opstellingen waren relatief eenvoudig en gebruikten fotografische film als beeldopnamemedium. Er werd een laser gebruikt om deeltjes, zoals oliedruppeltjes of rook, te belichten en aan de stroom toe te voegen, en de resulterende deeltjesbeweging werd op film vastgelegd. De films werden vervolgens ontwikkeld en geanalyseerd om informatie over de stroomsnelheid te verkrijgen. Deze vroege PIV-systemen hadden een beperkte ruimtelijke resolutie en waren arbeidsintensief, maar ze boden waardevolle inzichten in het vloeistofstromingsgedrag.
De komst van lasers in de jaren zestig bracht een revolutie teweeg op het gebied van stromingsvisualisatie en -meting. Lasers leverden een coherente en monochromatische lichtbron die gemakkelijk kon worden scherpgesteld en gericht, waardoor ze ideaal waren voor optische stroomdiagnostiek. Eind jaren zestig en begin jaren zeventig stelden onderzoekers als Arthur L. Lavoie, Hervé LJH Scohier en Adrian Fouriaux onafhankelijk van elkaar het concept van deeltjesbeeldsnelheid (PIV) voor. PIV werd aanvankelijk gebruikt voor het bestuderen van luchtstromen en het meten van windsnelheden, maar de toepassingen ervan breidden zich al snel uit naar andere gebieden van de vloeistofdynamica.
In de jaren tachtig zorgde de ontwikkeling van ladingsgekoppelde apparaten (CCD's) en digitale beeldverwerkingstechnieken voor een revolutie in PIV. CCD-camera's vervingen fotografische film als medium voor beeldopname, waardoor een hogere ruimtelijke resolutie, snellere gegevensverzameling en real-time verwerkingsmogelijkheden ontstonden. Digitale beeldverwerkingstechnieken maakten een nauwkeurige en geautomatiseerde analyse van de PIV-beelden mogelijk, waardoor de tijd en moeite die nodig was voor data-analyse aanzienlijk werd verminderd.
De komst van digitale beeldvorming en computerverwerkingsmogelijkheden in de jaren tachtig en negentig bracht een revolutie teweeg in PIV, wat leidde tot de ontwikkeling van geavanceerde PIV-technieken, zoals multi-frame PIV, stereo-PIV en tijdsopgeloste PIV. Deze technieken maakten een hogere nauwkeurigheid, een hogere ruimtelijke en temporele resolutie en driedimensionale metingen mogelijk, waardoor de mogelijkheden van PIV werden uitgebreid en de toepassing ervan in complexere stroomsystemen mogelijk werd gemaakt.
In de daaropvolgende decennia bleef PIV zich ontwikkelen en vooruitgang boeken op verschillende belangrijke gebieden. Een belangrijke vooruitgang was het gebruik van dubbele of meervoudige belichtingen in PIV, waardoor zowel momentane als tijdsgemiddelde snelheidsvelden konden worden gemeten. PIV met dubbele belichting (vaak "stereo PIV" genoemd) gebruikt twee camera's om twee opeenvolgende beelden vast te leggen met een bekende tijdsvertraging, waardoor driecomponentensnelheidsvectoren in een vlak kunnen worden gemeten. Dit gaf een completer beeld van het stromingsveld en maakte het mogelijk om complexe stromingen, zoals turbulenties en wervels, te bestuderen.
In de jaren 2000 en daarna bleef PIV evolueren met de ontwikkeling van krachtige lasers, hogesnelheidscamera's en geavanceerde algoritmen voor beeldanalyse. Deze ontwikkelingen hebben het mogelijk gemaakt dat PIV kan worden gebruikt in extreme omstandigheden, zoals hogesnelheidsstromen, verbrandingssystemen en microschaalstromen, waardoor nieuwe grenzen worden geopend voor PIV-onderzoek. PIV is ook geïntegreerd met andere meettechnieken, zoals temperatuur- en concentratiemetingen, en wordt gebruikt in opkomende gebieden, zoals stromen op micro- en nanoschaal, korrelige stromen en additieve productie.
De vooruitgang van PIV is gedreven door de ontwikkeling van nieuwe laserbronnen, camera's en beeldanalysetechnieken. Vooruitgang in de lasertechnologie heeft geleid tot het gebruik van lasers met hoog vermogen, zoals Nd:YAG-lasers en diodelasers, die een verhoogde verlichtingsintensiteit bieden en metingen in meer uitdagende omgevingen mogelijk maken, zoals hogesnelheidsstromen en verbrandingssystemen. Er zijn ook hogesnelheidscamera's met verbeterde gevoeligheid en framesnelheden ontwikkeld, waardoor transiënte stromingsverschijnselen met een hoge temporele resolutie kunnen worden vastgelegd. Bovendien zijn geavanceerde beeldanalysetechnieken ontwikkeld, zoals op correlatie gebaseerde algoritmen, fasegebaseerde methoden en machinaal leren-algoritmen, om de nauwkeurigheid en efficiëntie van PIV-metingen te verbeteren.
Een andere belangrijke vooruitgang in PIV was de ontwikkeling van digitale correlatie-algoritmen voor beeldanalyse. Deze algoritmen maakten een nauwkeurigere en efficiëntere verwerking van PIV-beelden mogelijk, waardoor een hogere ruimtelijke resolutie en snellere data-acquisitiesnelheden mogelijk waren. Verschillende correlatie-algoritmen, zoals kruiscorrelatie, op Fourier-transformatie gebaseerde correlatie en adaptieve correlatie, zijn ontwikkeld en op grote schaal gebruikt in PIV-onderzoek.
PIV heeft ook geprofiteerd van de ontwikkeling van numerieke stromingsleer (CFD)-simulaties, die krachtige hulpmiddelen zijn geworden voor het voorspellen en analyseren van vloeistofstromingsgedrag. PIV-gegevens kunnen worden gebruikt om CFD-simulaties te valideren en te kalibreren, en op hun beurt kunnen CFD-simulaties inzichten verschaffen in de interpretatie en analyse van PIV-gegevens. De combinatie van experimentele PIV-metingen en numerieke simulaties heeft onderzoekers in staat gesteld een dieper inzicht te krijgen in vloeistofstromingsverschijnselen en heeft geleid tot nieuwe ontdekkingen en vooruitgang op verschillende wetenschappelijke en technische gebieden.
Naast de technische vooruitgang is PIV ook geïntegreerd met andere meettechnieken, zoals temperatuur- en concentratiemetingen, om uitgebreidere stroommetingen met meerdere parameters te bieden. Door PIV te combineren met thermografisch fosfor of door laser geïnduceerde fluorescentie is bijvoorbeeld gelijktijdige meting van snelheid en temperatuur of concentratievelden mogelijk, wat waardevolle gegevens oplevert voor het bestuderen van warmteoverdracht, menging en chemische reacties in vloeistofstromen.
Toepassingen De historische ontwikkeling van PIV is gedreven door de behoefte aan nauwkeurige en niet-intrusieve stroommetingen op verschillende gebieden van wetenschap en techniek. De beginjaren van PIV werden gekenmerkt door de ontwikkeling van fundamentele PIV-technieken, zoals PIV met twee frames, en de toepassing van PIV in fundamenteel onderzoek naar de vloeistofdynamica, voornamelijk in academische settings. Naarmate PIV aan populariteit won, begonnen onderzoekers het te gebruiken in meer praktische toepassingen, zoals aerodynamica, hydrodynamica, verbranding en oceanografie.
Naarmate PIV zich blijft ontwikkelen en evolueren, wordt verwacht dat het verdere toepassingen zal vinden op een breed scala aan gebieden, van fundamenteel onderzoek in de vloeistofdynamica tot praktische toepassingen in techniek, milieuwetenschappen en geneeskunde. De voortdurende ontwikkeling van PIV-technieken, waaronder verbeteringen op het gebied van lasers, camera's, algoritmen voor beeldanalyse en integratie met andere meettechnieken, zullen de mogelijkheden ervan verder vergroten en de toepassingen ervan verbreden.
In de aerodynamica wordt PIV gebruikt om de stroming over vliegtuigvleugels, rotorbladen en andere aerodynamische oppervlakken te bestuderen, waardoor inzicht wordt verkregen in het stromingsgedrag en de aerodynamische prestaties van deze systemen.