कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री

पार्टिकल ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री (पीटीवी) एक वेलोसिमेट्री विधि है अर्थात यह चलती वस्तुओं के वेग और प्रक्षेप पथ को मापने की तकनीक है। द्रव यांत्रिकी अनुसंधान में यह वस्तुएं तटस्थ रूप से उत्प्लावन कण होती हैं जो द्रव प्रवाह में निलंबित हैं। जैसा कि इसके नाम से पता चलता है, इसमें व्यक्तिगत कणों को ट्रैक किया जाता है, इसलिए यह तकनीक पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (पीआईवी) के विपरीत लैग्रेंजियन दृष्टिकोण है, जो यूलेरियन विधि होती है जो तरल पदार्थ के वेग को मापती है क्योंकि यह अवलोकन बिंदु से निकलता है, जो कि निश्चित है कि स्पेस में दो प्रायोगिक पीटीवी विधियाँ हैं।

• द्वि-आयामी (2-D) पीटीवी। माप 2-D स्लाइस में किया जाता है, जिसे पतली लेज़र शीट (या पतली सतह) द्वारा प्रकाशित किया जाता है | बीजित कणों का कम घनत्व उनमें से प्रत्येक को अनेक फ़्रेमों के लिए व्यक्तिगत रूप से ट्रैक करने की अनुमति देता है।
• त्रि-आयामी कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री (3-D पीटीवी) विशिष्ट प्रयोगात्मक तकनीक है जिसे मूल रूप से पूरी तरह से अशांत प्रवाह का अध्ययन करने के लिए विकसित किया गया है। अब इसका उपयोग संरचनात्मक यांत्रिकी अनुसंधान से लेकर चिकित्सा और औद्योगिक वातावरण तक विभिन्न विषयों में व्यापक रूप से उपयोग किया जा रहा है। यह त्रिविम व्यवस्था में एकाधिक कैमरा-प्रणाली पर आधारित होता है, तथा अवलोकन मात्रा की त्रि-आयामी प्रकाश, ऑप्टिकल टारगेट्स (प्रवाह ट्रेसर प्रकाशित कणों) की त्रिविम छवियों के समय अनुक्रम की रिकॉर्डिंग, स्पेस में उनकी तात्कालिक 3-D स्थिति का निर्धारण करता है | फोटोग्रामेट्रिक तकनीकों का उपयोग करके और समय में उनके गतिविधि को ट्रैक करके, इस प्रकार ऑप्टिकल टारगेट्स के 3-D प्रक्षेपवक्र के समूह को प्राप्त किया जा सकता है। जहाँ समय-समाधान त्रि-आयामी कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री को 4D-पीटीवी के रूप में जाना जाता है।

विवरण

3-D कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री (पीटीवी) अशांत प्रवाह के अध्ययन में उपयोग की जाने वाली संपूर्ण-क्षेत्र वेलोसिमेट्री तकनीकों के वर्ग से संबंधित है, जो दो या तीन स्थानिक आयामों पर तात्कालिक वेग और आवर्त वितरण के निर्धारण की अनुमति देता है। 3-D पीटीवी द्रव अवयव प्रक्षेप पथ के रूप में तात्कालिक 3-तत्व वेग सदिश की समय श्रृंखला उत्पन्न करता है। किसी भी क्षण, डेटा घनत्व सरलता से 10 वेग सदिश प्रति घन सेंटीमीटर से अधिक हो सकता है। यह विधि स्टीरियोस्कोपिक इमेजिंग (2 से 4 कैमरों का उपयोग करके) और फ्लो ट्रैसर की गति की समकालिक रिकॉर्डिंग पर आधारित है, अर्थात इसमें प्रवाह में निलंबित लघु कण होते हैं , जो स्ट्रोब्ड प्रकाश स्रोत द्वारा प्रकाशित होते हैं। यह समय के फलन के रूप में 3-D कण निर्देशांक फ़्रेम के प्रत्येक त्रिविम समूह की छवि और फोटोग्रामेट्रिक विश्लेषण के उपयोग से प्राप्त किए जाते हैं। कण प्रक्षेपवक्र प्राप्त करने के लिए 3-D कण स्थितियों को समय डोमेन में ट्रैक किया जाता है। पर्याप्त लंबी अवधि के लिए भिन्न-भिन्न कणों के स्थानिक रूप से घने समूह का अनुसरण (ट्रैक) करने और उनके गुणों का सांख्यिकीय विश्लेषण करने की क्षमता, अशांत प्रवाह प्रक्रिया के लैग्रेंजियन विवरण की अनुमति देती है। यह 3-D पीटीवी पद्धति का विशिष्ट लाभ है।

3D-पीटीवी के विशिष्ट कार्यान्वयन में दो, तीन या चार डिजिटल कैमरे होते हैं, जो कोणीय विन्यास में स्थापित होते हैं और प्रवाह में बीजित प्रवाह ट्रैसर से विवर्तित या फ्लोरोसेंट प्रकाश को समकालिक रूप से रिकॉर्ड करते हैं। गतिमान ऑप्टिकल लक्ष्यों के प्रभावी एक्सपोज़र समय को कम करने और प्रत्येक फ्रेम पर उनकी स्थिति को "स्थिर" करने के लिए, प्रवाह को कोलिमेटेड लेजर बीम, या प्रकाश के किसी अन्य स्रोत द्वारा प्रकाशित किया जाता है, जिसे प्रायः कैमरा फ्रेम दर के साथ समकालिक रूप से स्ट्रोब किया जाता है। प्रकाश के सुसंगतता (भौतिकी) या एकवर्णी होने पर कोई प्रतिबंध नहीं है | केवल इसकी प्रकाश अवलोकन मात्रा में ट्रेसर कणों की इमेजिंग के लिए पर्याप्त होनी चाहिए। कण या ट्रेसर फ्लोरोसेंट, विवर्तनिक हो सकते हैं, जितना संभव हो उतने निरंतर फ्रेम के माध्यम से ट्रैक किए जा सकते हैं, और स्थिति स्पष्टता को अधिकतम करने के लिए जितना संभव हो उतने कैमरों पर ट्रैक किया जा सकता है। सिद्धांत रूप में, त्रिविम विन्यास में दो कैमरे स्पेस में कण के तीन निर्देशांक निर्धारित करने के लिए पर्याप्त होते हैं, किन्तु अधिकांश व्यावहारिक स्थितियों में तीन या चार कैमरों का उपयोग संतोषजनक 3-D स्थिति स्पष्टता तक पहुंचने के साथ-साथ बढ़ाने के लिए किया जाता है। पूरी तरह से अशांत प्रवाह का अध्ययन करते समय ट्रेजेक्टरी यील्ड का उपयोग किया जाता हैं।

3D-पीटीवी योजनाएं

3D-पीटीवी योजनाओं के अनेक संस्करण उपस्थित हैं। इनमें से अधिकांश यह तब 3 सीसीD या 4 सीसीD का उपयोग करते हैं।

वास्तविक समय छवि प्रसंस्करण योजनाएं

लेजर-आधारित प्रकाश के अतिरिक्त अवलोकन मात्रा को प्रकाशित करने के लिए सफेद प्रकाश का उपयोग, निवेश और स्वास्थ्य और सुरक्षा आवश्यकताओं दोनों को अधिक सीमा तक कम कर देता है। 3-D पीटीवी पद्धति का प्रारंभिक विकास जियोडेसी और फोटोग्रामेट्री संस्थान और ईटीएच ज्यूरिख के हाइड्रोलिक्स संस्थान के मध्य संयुक्त परियोजना के रूप में प्रारंभ किया था। तकनीक के आगे के विकास में ऑन-कैमरा एफपीजीए चिप का उपयोग करके वास्तविक समय छवि प्रसंस्करण को सम्मिलित किया है।

यह भी देखें

• हॉट-वायर एनेमोमेट्री
• लेजर डॉपलर वेलोसिमेट्री
• मोलेकुलर टैगिंग वेलोसिमेट्री

संदर्भ

• Maas, H.-G., 1992. Digitale Photogrammetrie in der dreidimensionalen Strömungsmesstechnik, ETH Zürich Dissertation Nr. 9665
• Malik, N., Dracos, T., Papantoniou, D., 1993. Particle Tracking in three dimensional turbulent flows - Part II: Particle tracking. Experiments in Fluids Vol. 15, pp. 279–294
• Maas, H.-G., Grün, A., Papantoniou, D., 1993. Particle Tracking in three dimensional turbulent flows - Part I: Photogrammetric determination of particle coordinates. Experiments in Fluids Vol. 15, pp. 133–146
• Srdic, Andjelka, 1998. Interaction of dense particles with stratified and turbulent environments. Ph.D. Dissertation, Arizona State University.
• Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach W. (2005)- Lagrangian Measurement of Vorticity Dynamics in Turbulent Flow. Journal of Fluid Mechanics. (528), p. 87-118
• Nicholas T. Ouellette, Haitao Xu, Eberhard Bodenschatz, A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms, Experiments in Fluids, Volume 40, Issue 2, Feb 2006, Pages 301 - 313.