Mezi moderní vizualizační a měřicí metody pro výzkum proudění kapalin a plynů v laboratorních i provozních podmínkách patří metoda PIV (Particle Image Velocimetry). Tuto metodu uvedla na trh firma Dantec [7-3] a dnes taková zařízení vyrábí také firma TSI [7-21] a další. Jedná se vlastně o vizualizaci proudění zaváděním částic do tekutiny (viz kap. 3.4 a kap. 3.6) a následné počítačové zpracování obrazu s cílem získat vektorovou mapu rychlostí proudového pole. Zavedení počítačového záznamu a zpracování obrazů částic v proudící tekutině vedlo k podstatnému rozšíření praktického uplatnění původních vizualizačních metod, jak je patrné u této metody.
Obr. 3-15 Schéma zařízení pro metodu PIV firmy TSI [7-21] při měření volného proudu ze vzduchotechnické vyústky
Zařízení pro metodu PIV je relativně drahé a na trh se dodává v různých variantách. Typickým příkladem může být zařízení schématicky znázorněné na obr. 3-15. Úzký světelný svazek z pulzního laseru je válcovou čočkou upraven do tvaru světelného nože, pomocí kterého se osvětluje vybraná rovina měřicího prostoru. Osvětlená rovina měřicího prostoru je ohraničena (viz měřená rovina na obr. 3-15) zorným polem záznamového zařízení umístěného kolmo na rovinu světelného nože. Pro možnost počítačového zpracování měření se pro záznam obrazů používá CCD kamera napojená přes digitalizační kartu k počítači. Zařízení obvykle vyžaduje práci v zatemněném prostoru. Uvedené zařízení může pracovat i současně se dvěma lasery, což je nutné při osvětlování větších prostorů s vysokou frekvencí záznamů obrazů.
Jedno měření se provádí buď dvěma (nebo i více) krátkými po sobě jdoucími pulzy se známou frekvencí, čímž lze získat záběry obrazů částic v různých časových intervalech. Práce kamery musí být přitom synchronizována s pulzy laseru. Je-li známé měřítko zobrazení, mohou se pak v počítači exaktně určit polohy částic v každém záběru a vyhodnotit posunutí částic Dx a Dy ve dvou na sebe kolmých směrech (v daném místě). Ze známého časového intervalu mezi snímky Dt a z posunutí částic Dx a Dy vyhodnocuje počítač složky rychlostí wx a wy v daném místě, a to dle vztahů
|
|
(3-1) |
Celý proces zpracování jednoho měření PIV počítačem trvá jen několik milisekund, a proto lze tímto způsobem vizualizovat vektorovou mapu rychlostního pole i v reálném čase. Zařízení z obr. 3-15, vybavené dvěma pulzními lasery a dvěma zdroji laseru, s použitím héliových bublinek a mlhy (v proudu ze vzduchotechnické vyústky), umožňuje získat vektorovou mapu rychlostního pole v měřené rovině 0,4 x 0,5 m s frekvencí až 15 Hz.
Vyhodnocování posunutí částic Dx a Dy se může provádět různým způsobem. První i druhý záběr obrazu se obvykle rozdělí na elementy, viz obr. 3-16, přičemž element představuje dostatečně malou část obrazu s dostatečným počtem obrazových bodů. Je-li v obrazovém elementu jen jedna zřetelná částice, lze Dx a Dy stanovit snadno z rozdílu polohy částice v záběru II oproti poloze částice v záběru I. Je-li v obrazovém elementu více zřetelných částic a každé částici přiřadíme polohu konkrétního obrazového bodu, lze Dx a Dy stanovit z četností vzdáleností částic v záběru II oproti částicím v záběru I, viz obr. 3-16. Výsledný posuv částic Dx a Dy ve vyšetřovaném elementu je pak dán vzdáleností, která má největší četnost. Jsou-li však polohy částic v obrazových elementech stanoveny přesněji (i mimo polohy obrazových bodů), lze vyhodnocování provádět předchozím způsobem a následně Dx a Dy postupně upřesňovat (dělením Dx a Dy až maximálně do situace, kdy novému Dx a Dy odpovídají alespoň ještě dvě částice). Nejčastěji se však Dx a Dy stanovuje pomocí Fourierovy transformace, kterou lze uplatnit i v obecném případě, a to i pro málo rozlišitelné částice, nebo dokonce při vizualizaci proudění pomocí kouře či mlhy.
Obr. 3-16 Schéma k vyhodnocování posuvů částic (ve vyhodnocované obrazovém elementu bylo zvoleno 15 úrovní možných poloh částic ve směru x a ve směru y)
Výsledkem aplikace metody PIV jsou jednak obrazy z vizualizace pohybujících se částic (viz. obr. 3-17), ale především je možné získat v reálném čase vektorovou mapu rychlostí. Procesor pro zpracování dat může také generovat barevnou mapu rozložení rychlostí, čáry konstantních rychlostí a umožňuje různé další úpravy výsledných dat pro prezentaci.
Obr. 3-17 Vizualizace částic ve víru tekutiny [7-3]
Další příklady
Video 1: Vizualizace pohybujících se částic ve víru tekutiny [7-3].
Video 2: Mapa vektorů rychlostí ve víru tekutiny [7-3].
Video 3: Rozložení míry vířivosti ve víru tekutiny [7-3].
Obraz 1: Schéma pro výzkum trojrozměrného proudění pomocí metody PIV [7-3].
Obraz 2: Mapa vektorů rychlostí ve volném proudu ze štěrbinové vzduchotechnické vyústky získaná pomocí metody PIV. Autorem je doktorand Ing. Jan Košner [6-12].
Video 4: Zviditelnění kmitajícího proudu fluidního ostřikovače čelního skla automobilu pomocí zařízení PIV. Záběr z Odboru hydraulických strojů Viktora Kaplana EÚ FSI VUT v Brně.
.