Name: high-speed particle image velocimetry near surfaces
Uploaded: 2013-06-24T14:00:00
Duration: 11 min 59 s
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この材料はグラント号CBET-1032930の下で米国の国立科学財団によってサポートされており、ミシガン州の定量レーザー診断研究所の大学で行われた作業の仕事に基づいています。

<ol>
	<li>Raffel, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).</li><li>Adrian, R. J., Westerweel, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Particle image velocimetry. , (2011).</li><li>Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High+speed+imaging+in+fundamental+and+applied+combustion+research.">High speed imaging in fundamental and applied combustion research.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 34 (2), 3509-3530 (2013).</li><li>Prasad, A. 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L., Sick, V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-speed+imaging+analysis+of+misfires+in+a+spray-guided+direct+injection+engine.">High-speed imaging analysis of misfires in a spray-guided direct injection engine.</a> Proceedings of the Combustion Institute. 33 (2), 3089-3096 (2011).</li></ol>

著者らは、開示することは何もありません。

任意のオプティカルフロー測定技術と同様に、高速の粒子画像流速（PIV）の設定を計画する制約条件の評価と手元の測定タスクのための最良の妥協の評価を必要とする。倍率、フレームレート、レーザシートのプロパティ、および解析アルゴリズムの選択は、研究中のフローの詳細に依存する。必要であれば、探索測定は、高忠実度の測定のためにパラメータ設定を識別するために行われなければならない。 この記事では、平板に沿った流れの境界層を研究するための一般的な手順と高速PIV用のいくつかのサンプルの結果を示しています。 500画像のシーケンスは5kHzに記録した。長距離顕微鏡は、板面に配置さ2.4×1.8ミリメートル2の視野を達成するために使用した。種子油滴の高品質の照明が光shに進出したパルス状のLD励起固体レーザからのビームを実現したEETは、ビームホモジナイザーを用いて。ビームホモジナイザーは、小さなシリンドリカルレンズ、追加、統合された望遠鏡で構成されたマイクロレンズアレイを含んでいます。マイクロレンズアレイは、ビームレットに分割することによって、入射ビームを垂直方向に円形ビームを拡大する。その後、次の望遠鏡はビーム伝搬に通常の光シート面における均一な光強度分布を有する光シートを作成するためにビームレットを重畳。画像は、PIV相互相関アルゴリズムを用いて処理した。これは、均質化されたビームが表面の近くで作業する場合は特に、有用であるが、それは、ここで説明する応用にとって重要ではないことに留意すべきである。 この手順で概説した方法は、堅牢な相関アルゴリズムを用いてフローの非侵入高分解能、高速な調査を可能にする。この高分解能、高速な測定技術の主な利点は、高い空間分解能と時間分解能識別および追跡する機能であるフロー内の構造の進化。これらの技術を用いて、Alharbi 6とJainski ら 8は、内燃機関の境界層内の渦構造を可視化し、追跡する能力を実証している。これらのキーの機能は非常に一時的な流れの構造と動態に関する調査を可能にする。また、PIVは（PIV断層面（ステレオPIV）および体積の3成分を（3C）を解決するために、二次元、二成分（2D-2C）速度場（ここで説明される）を超えて拡張することができる、PIV、ホログラフィックPIV）をスキャン。また、PIVは、平面レーザ誘起蛍光（PLIF）、濾過し、レイリー散乱（FRS）、速度および他のスカラー（温度、種濃度、当量比）11の同時2次元測定を達成するために、サーモグラフィー、蛍光体などの他の技術を用いて実装することができる-14。これらの光学、レーザーベースの方法は、直接質量を調査するために適用することができるこのような内燃機関における壁近傍の流れなどの多くの用途において、エネルギー交換プロセス。

多次元速度の測定値と時間で流れ場を追跡する能力は、科学、工学、健康科学の多くの分野で重要な情報を提供します。流イメージングのために最も広く使用される技術の中で、粒子画像流速（PIV）である。最初に速度成分面内の2つの測定されたスナップショットは、PIV変異体は、3つの成分と体積測定機能を提供するために開発されてきた平面技術として確立した。すべてのPIVシステムは、トレーサー粒子、1つ以上の光源、および1つまたは複数のカメラから構成される。固体粒子又は液滴は、一般にトレーサー粒子として使用されているが、フローに固有の気泡はまた、トレーサー粒子として用いることができる。次いで、カメラ（複数可）の画像（単数または複数）は、光源（複数可）によって照射された後、トレーサ粒子からの散乱又は放射された光。バリエーション1,2の広い範囲の中で最も一般的なものは、ラットで平面に2速度成分を捕捉毎秒数フレームのE。最近では、新たな計装はkHzの範囲内の乱流の時間スケールでの流れに従った高フレームレートの測定を（&gt; 1 kHz）を可能にしました。 PIVは、既知の時間遅延によって分離されている画像のペアから粒子群の平均の動きを追跡することによって速度場を決定します。各画像は、等間隔の呼掛け窓の格子に分割される。最も一般的な呼掛けウィンドウサイズは32×32ピクセルである。アルゴリズムは、呼掛けウィンドウごとに変位ベクトルを生じる、すべての呼掛けのウィンドウの相互相関関数を計算し、したがって、ベクトルの規則的な格子を生成する。時間遅延によって変位ベクトル場を分割​​することは、その後の速度ベクトル場を決定します。 PIV計測を計画するとき、それは一般的に実験的な設定の選択は、相反する要件の間の妥協であることを認識することが重要です。言い換えれば、実験精神状態を慎重手元研究のために重要である流れの態様を捕捉する計画する必要がある。ラッフェルら 1とエイドリアンとWesterweel 2によって本は、これらの制約の優れた徹底的な議論を提供します。ここでは、現在のコンテキストの中で最も重要であることをいくつかを強調表示します。 視野（FOV）の選択は、ここでパラメータ選択のための出発点を設定します。カメラチップ上の画素数は、1つは、多くの場合、相互相関手順の間に50％のオーバーラップを32×32画素の呼掛けウィンドウサイズを使用することを選択したと仮定すると、空間分解能が得られるベクトルの数を決定する。呼掛けウィンドウごと8-10粒子の播種密度は、一般に、相互相関関数を補助することが望ましい。しかし、その可能性があり、粒子追跡流速（PTV）と時間平均相関アプローチなどの特殊なアルゴリズムでは、ある表面近くの撮像の場合と同様、低播種密度（1-3粒子/呼掛けウィンドウ）を有する状況に対処するために使用する。各尋問ウィンドウ内で速度勾配がそのウィンドウの結果の代表ベクトルの偏りを避けるために小さくする必要があることに注意してください。 確立された経験則は、第1および第2のフレームとの間の粒子変位がペアリング損失（第からの質問窓内で粒子画像の損失の数を減らすために8画素（¼呼掛けウィンドウサイズ）を超えてはならないということである相関二フレームにフレーム）。結果として、2つの連続するレーザーパルス（dt）は間の時間はそれに応じて調整しなければならない。下端解像限界は0.1画素ずれの程度であるので、8画素変位に相当する下dtの削減は速度ダイナミック·レンジを減少させる。 8ピクセル変位wのと同様に、撮像面ithinは、最高速度粒子は、ペアリング損失の数を減らすために、再び光板厚の4分の1以上を横断してはならない。つのレーザパルス間の時間遅延は、光シート面内の最高の相関関係を確認するために使用されているので、シートの厚さは、このコンテキストでは可変である。光強度の均一性は、それがそのような平面レーザ誘起蛍光イメージング3、近くにトップハットビームプロファイルとしての強度ベースの測定用ですほど重要ではないですが、特に高分解能イメージングのために、PIVの品質を支援します。 一般的には、調査中の流れの性質に関するいくつかの仮定は、実験パラメータの選択の出発点として使用することができる。その後、探索実験が設定を調整するために必要とされるかもしれません。 ここで我々は2つ​​の速度componeの高フレームレートイメージング測定が可能PIV実験をセットアップする方法について説明境界層の構造を解決するのに十分である空間分解能でNTS。これは、高繰返し率を用いて達成されるTEM 00ダイオード励起固体レーザー、長距離顕微鏡、およびハイフレームレートCMOSカメラ。表面近くイメージングに関するいくつかの詳細も含まれています。

<table border="1" fo:keep-together.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Name of Equipment</td>
			<td>Company</td>
			<td>Model</td>
			<td>Comments</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed 532 nm Nd:YAG laser</td>
			<td>Quantronix</td>
			<td>Model: Hawk I</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Long distance microscope (QM-100)</td>
			<td>Questar</td>
			<td>Model: QM-100</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed CMOS camera (Phantom v7.3)</td>
			<td>Vision Research</td>
			<td>Model: Phantom v7.3</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Atomizer (TSI 9306)</td>
			<td>TSI</td>
			<td>Model: 9306</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Silicone oil</td>
			<td>Dow Corning CST 510</td>
			<td>CST 510 Fluid</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Beam homogenizer</td>
			<td>Fraunhofer</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>45&deg; high-reflectivity (HR) 532 nm turning mirror</td>
			<td>Laser Optik</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Aperture</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Calibration target</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Custom made part</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>PIV recording and processing software</td>
			<td>LaVision</td>
			<td>Software: Da Vis</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>High-speed controller (HSC)</td>
			<td>LaVision</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Optical rail and carriers</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Laser beam blocks and traps</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Mounts for optical elements</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Translation stage</td>
			<td>Newport</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Metal tubing to create jet flow</td>
			<td>McMaster-Carr</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Combination square and centering square</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>&nbsp;</td>
			<td>Multiple suppliers</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

high-speed particle image velocimetry near surfaces

多次元と過渡流れは、科学、工学、健康科学の多くの分野で重要な役割を果たしているが、しばしば十分に理解されていない。これらのフローの複雑な性質は、粒子画像流速（PIV）、光学的にアクセス可能なフローのレーザーベースのイメージング技術を用いて研究することができる。 PIVの多くの形態は、元の平面の二成分速度測定能力を越えて延在する技術が存在するものの、基本的なPIVシステムは、光源（レーザ）、カメラ、トレーサー粒子と、解析アルゴリズムで構成されている。撮像記録パラメータと、光源、およびアルゴリズムは、関心の流れの録画を最適化し、有効な速度データを得るために調整される。 毎秒数フレームで面における共通のPIV調査対策二成分速度。しかし、計測における最近の進展は、遷移を解決可能な高フレームレート（&gt; 1 kHz）の測定を容易にしていますENTは、高時間分解能で流れている。したがって、高フレームレートの測定は非常に過渡流れの構造とダイナミクスの進化に調査を有効にしている。これらの調査は、複雑なフローの基礎物理を理解する上で重要な役割を果たしています。 平板の表面近傍過渡流れを研究するために、高解像度、高速平面PIVを実行するための詳細な説明は、ここで提示される。関心のある流れのためPIVを適合させるため、画像と記録特性、レーザシートのプロパティ、および処理アルゴリズムなどのパラメータ制約を調整するための詳細が含まれる。

セットアップの写真を図1に示されている。連続する2つの撮像画像から壁の近くに32×32ピクセルの呼掛けウィンドウの生の粒子画像を図2に示す。 図2aの粒子は、 図2bの右側に2〜3画素の変位面内及び面外の粒子変位が尋問ウィンドウサイズの4分の1を超えてはならないと述べている&quot;四分の一のルールを、&quot;満足している。 PIV相関アルゴリズムは粒子のグループを追跡するため、また、取調べウィンドウごとに粒子密度は、およそ8-10粒子でなければなりません。しかし、壁近傍PIV調査における播種密度は1-3粒子のオーダーであることが多い。したがって、特別なアルゴリズムはそのような個々の粒子の1,2,4-6を追跡粒子追跡流速（PTV）アルゴリズムなどの下播種密度、を用いた研究に対処するために使用されるべきである。時間平均相関アプローチ7,8は 、低播種密度の問題に対処するために使用され、これは、一般的に時間分解能の損失をもたらすことができる。さらに、壁の近くにイメージングに悪影響PIV相関に影響を与え、誤ベクトルを生成することが明るいレーザーの反射の影響を受ける。これらの明るい反射も壁法線方向内の最初の有効な速度ベクトルの位置を制限する。生の粒子画像を前処理することは、レーザの反射などのソースからバックグラウンドノイズの影響を低減する必要がある。このデモでは、最初の有効なベクターは、壁から23ミクロンに位置していた。 生の粒子画像をPIV相関アルゴリズムを用いて処理された後、得られた速度ベクトル場の品質および妥当性を評価すべきである。スプリアスベクトルは生のベクトル場で避けられないが、いくつか際立った特徴があります。誤ったベクトルはO表面近く、光シートの端で、そしてエッジに共通しているファフロー。また、無効なベクトルの大きさと方向は、隣接するベクトルから大きく異なり、物理的な意味をなさないでしょう。 図2の粒子変位が示すように、この境界層流の例の場合、有効な速度ベクトルが左から右を指しているべきである。さらに、速度はノースリップ状態9のため壁の近くに減少するはずである。 図3に示す瞬時速度場は、これらの物理的な基準の両方に適合。 PIV結果の妥当性を評価するための別の有用なメトリックは、速度ベクトル場における各ベクトルのベクトル選択を決定することである。一般的には、ベクトル場が&gt; = 95％の最初の選択肢ベクトルで構成する必要があり、まだ後処理を必要としないもの、すなわち 、その結果堅牢な後処理アルゴリズムは、かなりのアーティファクト2を生成せずにスプリアスベクトルを検出し、置換するために使用することができる。に示す瞬時ベクトル場<strong&gt;図3は、第一選択ベクトルで完全に構成されています。 高速又は映画、PIV測定の重要性は、フロー画像の時間系列の検査から明らかになる。先頭、中間、および記録シーケンスの終了時に瞬間速度（V i）と速度変動（V &#39;）のベクトル場は、 図3に示されている。 V iは平均速度場の合計である、レイノルズ分解を使用（ <img alt="方程式" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" /> ）とV &#39;10。この実験のために、 <img alt="方程式" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559eq2.jpg" />時間的に配列内のすべての画像を平均することによって決定した。瞬間的なベクトル場を通じ記録シーケンスうち非常に類似しており、左から右に移動する流れを示しています。これらの結果は、水平速度成分（u）は垂直方向の速度成分（v）に比べてはるかに大きいので、流れが水平方向に主にあることを示している。変動ベクトル場はまた、水平速度変動（はu &#39;）（垂直速度変動V）よりも大きい&quot;ことを示している。しかし、変動はまた、U &#39;は記録シーケンス全体にその方向を反転以来流れが鈍化していることを示している。 時間平均および瞬間uは -記録シーケンス中の複数の異なる時間におけるプロファイルが図4に示されており、流れが時間をかけて減速されていることを確認している。 U -プロファイルたち壁に近い結果の統計的有意性を改善するために一緒に隣接する四つの列ベクトルを平均化することによって決定再度。手順は前作6,8で使用されていた。エラーバーは、4つの隣接ベクトル列の標準偏差の2倍を示している。最大のエラーバーは、プレートの表面付近に生じ、低播種密度の領域に対してPIV相関アルゴリズムを使用することの難しさを再確認するものである。いくつかの解析アルゴリズムは、PTV 5,6及び時間平均相関アプローチ7,8のような低播種密度に対応するために設計されている。 <img alt="図1" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig1.jpg" /> 図1。ベンチトップアセンブリ。 <img alt="図2" fo:content-width="5.5in" fo:src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2highres.jpg" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig2.jpg" /> 図2。の壁の近くに32×32ピクセルの尋問における粒子画像）T = 0.2ミリ秒と、b）時刻t = 0.4ミリ秒。尋問ウィンドウの物理的な寸法は96×96μmの2です。 <img alt="図3" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig3.jpg" /> 図3左の場合：。瞬時（V I）と、右：先頭、中間、および記録シーケンスの終了時に変動（V &#39;）速度場。ベクトル場は、第一選択ベクトルで完全に構成されています。ベクトル場の小さなサブセットは、明確にするために示されている。 V IフィールドはしばらくV &#39;逆方向左から右に移動する流れを示している。水平方向にのみ、すべての第四のベクトル列はわかりやすくするために表示されますのでご注意ください。さらに各画像の左上隅に示されるように、V i及びV &#39;フィールド間の速度スケールが異なっている。 <img alt="図4" src="/files/ftp_upload/50559/50559fig4.jpg" /> 図4水平速度（u）のプロファイル流れを通して異なる時間に。時間平均腕時計 -プロファイルは円で示されている。時刻t = 0.1ミリ秒すぐに表示されるエラーバーは、他のすべての時間に誤差棒の代表的なものである。 Uの時刻歴-プロファイルは、時間をかけて流れの減少を示しています。

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High-speed Particle Image Velocimetry Near Surfaces

高分解能、高速の粒子画像流速（PIV）を用いて境界の近くに一時的なフローを研究するための手順は、ここで記載されている。 PIVは、画像と記録特性、レーザシートのプロパティ、および分析アルゴリズムなど、いくつかのパラメータ制約を最適化することによって、任意の光学的にアクセス可能なフローに適用可能な非侵入的測定技術である。

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