Методы визуализации для изучения потоков были известны задолго до появления электронных вычислительных машин. Первые наблюдения за течением жидкости в водоемах при помощи естественных природных трассеров были описаны еще Леонардо да Винчи [3]. Людвиг Прандтль (1875-1953) использовал взвесь из частиц слюды на поверхности воды для анализа обтекания цилиндров, призм и профилей крыла в экспериментальном канале.
Постепенно от качественных наблюдений произошел переход к измерению количественных характеристик течений, и к 60-м годам 20-ого столетия сформировалось широкое направление в диагностике, известное как «стробоскопическая визуализация». Принцип стробоскопической трассерной визуализации заключается в измерении смещения трассеров в заданном сечении потока жидкости или газа за известный интервал времени. Областью измерения служит плоскость, освещаемая световым ножом. Результатом измерения является мгновенное поле скорости в измерительной плоскости.
Появление термина PIV (Particle Image Velocimetry) – международное название метода цифровой трассерной визуализации, связывают с работой [4], в которой метод PIV был выделен как частный случай метода лазерной спеклометрии LSV (Laser Speckle Velocimetry), базирующегося на оптическом преобразовании Фурье яркостных картин. Надо отметить, что методы LSV развивались изначально применительно к анализу деформаций при нагружении твердотельных образцов.
Развитие цифровой и компьютерной техники и, как следствие, применение цифровых методов регистрации изображений и обработки данных для стробоскопической трассерной визуализации еще более укрепило позиции PIV среди оптических методов исследования потоков, сократив время регистрации и обработки на порядки. Применение корреляционного анализа для определения смещения частиц, а также изобретение цифровой кросскорреляционной камеры для записи пар изображений обеспечили еще больший прогресс и создали условия для дальнейшего совершенствования алгоритмов обработки.
Метод цифровой трассерной визуализации, относящийся к классу бесконтактных оптических методов, позволяет регистрировать мгновенные поля скоростей в плоскости измерения. Одним из важнейших его преимуществ является отсутствие возмущающего влияния на поток. К достоинствам метода можно также отнести широкий динамический диапазон измеряемых скоростей (порядка 500:1), что позволяет использовать его для исследования сложных турбулентных течений. Еще одно преимуществоК ограничениям PIV можно отнести неидеальность трассирующих частиц (размер, плотность), приводящую к тому, что трассеры не всегда точно следуют за потоком. Кроме того, диаметр используемых частиц ограничивает размер элементарной области снизу, а использование более мелких частиц сопряжено с влиянием броуновского движения на их смещение, а также накладывает ограничения на мощность источника излучения и чувствительность регистрирующей аппаратуры.
Область применения PIV-метода довольно обширна. Она включает в себя фундаментальные научные исследования, направленные на изучение динамики и масштабов вихревых структур в потоках жидкости и газа, получение дифференциальных и статистических характеристик, а также оценку достоверности математического моделирования и коррекцию численных моделей для турбулентных потоков. Помимо этого, PIV-метод широко применяется и в прикладных исследованиях. Здесь можно выделить задачи оптимизации обтекания летательных аппаратов и судов в авиастроении, кораблестроении, конструкций промышленных агрегатов в энергетике и нефтегазовой промышленности, изучение процессов в двигателях внутреннего сгорания. Постепенно увеличивается число приложений PIV для задач исследования микропотоков, таких как управление процессами синтеза веществ в микрофлюидных аналитических системах ( ), физическое моделирование работы искусственных сосудов и клапанов в медицине и др.
На протяжении последних 20 лет развития и применения метода обозначились направления, связанные с оптимизацией и совершенствованием методов обработки данных с целью улучшения качества получаемых данных. Это:
- · Увеличение динамического диапазона измеряемых скоростей
- · Улучшение пространственного разрешения метода
- · Применение кросскорреляционного анализа для течений с существенным градиентом скорости (погранслой и слой смешения)
- · Общая проблема выявления источников систематической и случайной погрешности расчетов и минимизация этих погрешностей
- · Проблема детектирования и отсева ошибочных векторов, появление которых связано с влиянием шума и ошибками в определении положения максимума корреляционной функции, неизбежными при автоматизированной обработке больших массивов данных.
Все указанные проблемы связаны между собой и не могут рассматриваться отдельно друг от друга.
[1] В настоящее время развиты модификации метода, позволяющие измерять поля скорости в объеме (голографический PIV, томографический PIV).
