к.т.н. Карлов Кирилл Рудольфович
это современный оптический метод измерения скорости и направления движения частиц в потоке жидкости или газа. Это один из ключевых инструментов в экспериментальной гидро- и аэродинамике, особенно при изучении турбулентности, кавитации, струй, вихрей и других сложных явлений.
Суть метода PIV:
- Рабочая среда (например, воздух или вода) насыщается частицами-трассерами, которые хорошо следуют за движением потока. Эти частицы должны быть:
- Мелкими
- Легкими
- Отражающими свет
- Пространство, где происходит съёмка, освещается короткими импульсами лазера — обычно используется тонкий лазерный луч в виде линии (laser sheet), подсвечивающий выбранное сечение потока.
- Высокоскоростная камера или пара синхронизированных камер фиксирует последовательность кадров с высокой частотой (например, 1000 – 100000 кадров/с), фиксируя положение частиц в разные моменты времени.
- С помощью корреляционного анализа (cross-correlation) между изображениями рассчитывается векторное поле скоростей: определяется, насколько и в каком направлении сместились частицы за короткий промежуток времени.
Почему нужны высокоскоростные камеры?
- Для изучения быстро меняющихся потоков, особенно в турбулентных режимах, где структура течения изменяется за микросекунды.
- Чтобы избежать размытия частиц на изображении (motion blur) и получить точное положение каждой в каждый момент.
- Для 3D-PIV и стерео-PIV, где нужно совмещать кадры с двух или более камер.
Применения PIV с высокоскоростными камерами:
- Исследование аэродинамики вокруг профилей крыла, автомобилей, БПЛА
- Потоки в биомеханике (например, кровоток в артериях)
- Кавитационные явления и струйные потоки
- Лазерная диагностика в микрофлюидики
- Горение и турбулентность в двигателях
Необходимое оборудование:
- Высокоскоростная камера (например, Phantom, Photron, Vision Research и др.)
- Лазер с модуляцией импульсов (Nd:YAG, двойной импульс)
- Оптическая система формирования лазерного луча
- Частицы-трассеры
- Программное обеспечение для PIV-анализа (Dantec, LaVision DaVis, OpenPIV и др.)
Алгоритм кросс-корреляции (Cross-Correlation Algorithm)
Он сравнивает две последовательные картинки (или участки изображения — interrogation windows), чтобы определить, куда и насколько сместились частицы между кадрами.
Описание алгоритма:
- Разделение кадров на ячейки (обычно 32×32 или 64×64 пикселя) с частичным перекрытием (overlap).
- Для каждой ячейки на первом кадре ищется соответствующая область на втором кадре, где наиболее похожая структура (частицы) — это и есть максимум кросс-корреляции.
- Смещение (dx, dy), соответствующее максимуму корреляции, преобразуется в вектор скорости:v=ΔtΔx,Δy
Ключевые разновидности:
| Название | Описание |
|---|---|
| Standard cross-correlation | Прямая корреляция окон в пространстве |
| FFT-based cross-correlation | Быстрое вычисление через преобразование Фурье (очень быстро!) |
| Window deformation PIV | Улучшенная версия: учитывает локальные искажения окон (например, сдвиг, вращение) |
| Multi-pass PIV | Многократная итерация с уменьшением размеров окон — повышает точность |
| Adaptive PIV | Окна изменяются в зависимости от плотности/формы частиц |
Обсуждение закрыто.