Сравнительный обзор методов реализации цифровой трассерной визуализации

УДК 532.574.7

А. Н. Ахмерова, А. А. Гайнуллина

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ОБЗОР МЕТОДОВ РЕАЛИЗАЦИИ ЦИФРОВОЙ ТРАССЕРНОЙ ВИЗУАЛИЗАЦИИ

Ключевые слова: кинематическая структура потока, трассерное изображение, метод цифровой трассерной визуализации.

Рассмотрены методы реализации цифровой трассерной визуализации, такие как PIV, Micro PIV, PTV, Stereo PIV, Tomographic PIV. Приведены основные этапы расчета, позволяющие получить кинематическую структуру потока. Произведен сравнительный анализ методов.

Keywords: kinematic structure of the flow, tracer image, Particle Image Velocimetry.

Non-contact optical measurement methods of the velocity field, such as Particle Image Velocimetry, Micro Particle Image Velocimetry, Particle Tracking Velocimetry, Stereo Particle Image Velocimetry, Tomographic Particle Image Velocimetry have been investigated The main calculation steps that allow to get kinematic structure of the flow have been investigated. A comparative analysis of methods were made.

В настоящее время методы цифровой трассерной визуализации нашли широкой применение в различных областях, начиная с медицины, авиастроительной сферы и заканчивая химической и нефтегазодобывающей промышленностью.

Так, бесконтактные методы исследования кинематической структуры потока, в частности цифровая трассерная визуализация, позволяют получить общую картину механизма изменения структуры потоков без нарушения гидродинамической структуры, что позволяет повысить точность измерения расхода в условиях производственной эксплуатации [1].

Цифровая трассерная визуализация делится на: планарные методы, позволяющие получить две компоненты скорости - продольную и поперечную; объемные методы, позволяющие вычислить трех-компонентное поле скорости [2].

К планарным методам относятся Particle Image Velocimetry (PIV), Micro Particle Image Velocimetry (Micro PIV), Particle Tracking Velocimetry (PTV).

Stereo Particle Image Velocimetry (Stereo PIV), Tomographic Particle Image Velocimetry (Tomographic PIV) относятся к объемным методам исследования кинематической структуры потока.

Particle Image Velocimetry служит для определения мгновенного поля скоростей потока в заданном сечении за счет измерения перемещения частиц примеси в плоскости сечения за фиксированный интервал времени [3].

Для этого в поток изучаемой среды добавляют частицы-трассеры малого размера. За измерительную область потока, в соответствии с рисунком 1, принимается плоскость «вырезаемая» лазером. В качестве источника излучения, формирующий «световой нож», обычно используются твердотельные импульсные Nd: YAG-лазеры либо лазеры постоянного излучения. Образы частиц регистрируются на цифровую камеру. Трассеры и их объемная концентрация подбираются таким образом, чтобы эффекты, связанные с двухфазностью потока и плавучестью частиц были минимальны.

Последующее применение алгоритмов обработки трассерных изображений, в частности корреля-

ционных алгоритмов, позволяет рассчитать смещения частиц за фиксированный интервал времени и построить двухкомпонентное поле скоростей. Измеренные двухкомпонентные значения векторов являются проекциями реальных трехкомпонентных векторов на плоскость, которая перпендикулярна оптической оси, регистрирующей образы частиц аппаратуры.

Рис. 1 - Схема реализации Particle Image Velocimetry с этапами расчета

Метод PTV практически идентичен с методом PIV. Итогом измерения PTV метода так же являются мгновенные двухкомпонентные поля скорости. Но в отличие от PIV метода вектор скорости измеряется по перемещениям отдельных трассеров в потоке, а не группы. Метод PTV применяется в случае, если плотность образов частиц очень мала. Обработка изображений так же производится с помощью корреляционных алгоритмов [4].

Методика Micro PIV применяется для измерения мгновенных и средних полей скорости в выбранном сечении потока в канале очень малого размера (10-6м) [5].

Рис. 2 - Схема реализации эксперимента с использованием Micro Particle Image Velocimetry

Лазерное излучение направляется в эпифлуорес-центный микроскоп через элемент сопряжения и освещает через микрообъектив флуоресцентные частицы субмикронного размера в исследуемом потоке. Свет, который отражается частицами, проходит обратно через микрообъектив и оптический путь микроскопа и попадает на матрицу цифровой камеры. Рассеянный на частицах свет с основной частотой лазерного излучения подавляется специальным фильтром на пути к цифровой камере. На матрице цифровой камеры фиксируются только частицы, находящиеся в области резкости микрообъектива, что позволяет локализовать плоскость измерения в продольном направлении.

Метод Stereo PIV является модификацией метода PIV и позволяет воссоздать трехкомпонентные поля скорости в выбранном сечении потока по двухмерным проекциям. Для реализации данного метода используется не одна, а две камеры, регистрирующие изображение трассеров под различными углами. Комбинация проекций изображений частиц на обе камеры позволяет реконструировать трехкомпо-нентное смещение частиц в толщине лазерного ножа с помощью процедуры калибровки камер с использованием калибровочной мишени, как показано на рисунке 3.

Метод Tomographic PIV является расширением метода Stereo PIV и позволяет регистрировать трехмерные структуры в потоках, т.е. методика позволяет измерять мгновенные 3-х компонентные поля скорости в выбранном измерительном объеме потока [6].

Рис. 3 - Схема реализации Stereo PIV в угловой конфигурации

Схема реализации метода Tomographic PIV представлена на рисунке 4. Трассеры в области измерения регистрируются одновременно на четыре или более цифровые камеры, установленные под различными углами обзора области потока.

Рис. 4 - Схема расчета мгновенного поля скорости в объеме потока методом Tomographic PIV

Основным шагом алгоритма построения поля скорости в методе Tomographic PIV является восстановление трехмерного распределения интенсивности по нескольким двумерным проекциям алгоритмом итерационной алгебраической реконструкции.

К алгоритмам, позволяющим произвести реконструкцию, относится алгоритм SMART (Simultaneous Multiplicative Algebraic Reconstruction Technique), позволяющий восстановить объемную интенсивность света, рассеянного частицами [7].

Томографическая реконструкция позволяет получить распределение частиц в толщине лазерного ножа. Расчет производят с использовнием трехмерных корреляционных алгоритмов для трехмерного поля скорости на основе двух последовательных по времени реконструированных трехмерных трассер-ных картин. Основные принципы алгоритма не имеют особых отличий от двумерного аналога, поэтому вектор скорости в каждой точке измерения рассчитывается на основе кросскорреляционного алгоритма по трехмерным элементарным объемам, на которые разбивается реконструированное объемное изображение частиц в потоке.

Если сравнивать между собой планарные и объемные методы, то последние являются более трудоемкими с точки зрения реализации. Обусловлено это более сложными алгоритмами обработки изображений, которые в свою очередь требуют больших вычислительных мощностей и затрат. Сама система регистрации изображений так же сложна в реализации, так как требует более тонкой настройки в отличие от систем используемых в планарных ме-

тодах. К тому же, цена таких систем будет значительно выше.

Литература

1 В . В . Кузьмин и др. Установка для метрологического обслуживания динамических испытаний и газодинамических исследоаний преобразователей расхода / В. В. Кузьмин, А. А. Гайнуллина, А. Н. Ахмерова / Вестник Казанского технологического университета - 2013. Т.16, № 10, С.289-291.

2 Адаптивные алгоритмы обработки изображений частиц для расчета мгновенных полей скорости / М. П. Токарев [и др.] // Вычислительные технологии. - 2007. - № 3. -С. 109-130.

3 В. В. Кузьмин и др. Бесконтактные методы диагностики кинематической структуры потоков жидкостных и газовых сред / В. В. Кузьмин, А. А. Гайнуллина, А. Н. Ах-мерова / Вестник Казанского технологического университета - 2013. Т.16, № 11, С.73-76.

4 Применение метода цифровой трассерной визуализации для анализа турбулентных потоков с периодической составляющей / С. В. Алексеенко [и др.] // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - № 5. - С. 145-153.

5 Micro Particle Image Velocimetry [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.pohs-instruments.ru/measured-quantity/speed/micropiv, свободный. - Проверено 27.04.2016.

4 Программа «ActualFlow». Версия 1.15: руководство пользователя. - Новосибирск, 2007 - 160с.

6 Scarano F. Tomographic PIV: principles and practice // Measurement Sciense and Technology. 2013.

7 Atkinson C., Soria J. An efficient simultaneous reconstruction technique for tomographic particle image velocimetry //Experiments in Fluids. 2009.

© А. Н. Ахмерова, асс. каф. САУТП КНИТУ, sautp@yandex.ru; А. А. Гайнуллина, ст. препод. той же кафедры.

© A. N. Achmerova, Assistant, department of Process Automation and Control Systems, KNRTU, sautp@yandex.ru; A. A. Gainul-lina, Snr. Lecture, department of Process Automation and Control Systems, KNRTU.