पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री

कण छवि वेलोसिमेट्री (पीआईवी) शिक्षा में उपयोग की जाने वाली प्रवाह दृश्यता की एक ऑप्टिकल विधि है और अनुसंधान. इसका उपयोग तरल पदार्थों में तात्कालिक वेग माप और संबंधित गुणों को प्राप्त करने के लिए किया जाता है। द्रव अनुरेखक कण (पारिस्थितिकी) के साथ बीजारोपण (द्रव गतिशीलता) कर रहा है, जो पर्याप्त रूप से छोटे कणों के लिए, द्रव गतिशीलता गतिशीलता (यांत्रिकी) का ईमानदारी से पालन करने के लिए माना जाता है (कण जिस हद तक प्रवाह का ईमानदारी से पालन करते हैं उसे स्टोक्स द्वारा दर्शाया जाता है) संख्या)। फंसे हुए कणों वाले तरल पदार्थ को प्रकाशित किया जाता है ताकि कण दिखाई दे सकें। बीजारोपण कणों की गति का उपयोग अध्ययन किए जा रहे प्रवाह की गति और दिशा (वेक्टर क्षेत्र) की गणना करने के लिए किया जाता है।

प्रवाह को मापने के लिए उपयोग की जाने वाली अन्य तकनीकें लेज़र डॉपलर वेलोसिमेट्री और हॉट-वायर एनेमोमेट्री हैं। पीआईवी और उन तकनीकों के बीच मुख्य अंतर यह है कि पीआईवी द्वि-आयामी या त्रि-आयामी वेक्टर फ़ील्ड उत्पन्न करता है, जबकि अन्य तकनीकें एक बिंदु पर वेग को मापती हैं। पीआईवी के दौरान, कण सांद्रता ऐसी होती है कि एक छवि में व्यक्तिगत कणों की पहचान करना संभव है, लेकिन छवियों के बीच इसे ट्रैक करना निश्चित रूप से नहीं होता है। जब कण सांद्रता इतनी कम होती है कि एक व्यक्तिगत कण का अनुसरण करना संभव होता है तो इसे कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री कहा जाता है, जबकि लेजर स्पेकल वेलोसिमेट्री का उपयोग उन मामलों के लिए किया जाता है जहां कण एकाग्रता इतनी अधिक होती है कि एक छवि में व्यक्तिगत कणों का निरीक्षण करना मुश्किल होता है।

विशिष्ट पीआईवी उपकरण में एक कैमरा (आम तौर पर आधुनिक प्रणालियों में चार्ज-युग्मित डिवाइस वाला एक डिजिटल कैमरा), एक स्ट्रोब या लेजर होता है जिसमें प्रकाशित भौतिक क्षेत्र को सीमित करने के लिए एक ऑप्टिकल व्यवस्था होती है (आमतौर पर प्रकाश किरण को एक रेखा में परिवर्तित करने के लिए एक बेलनाकार लेंस होता है) ), एक इलेक्ट्रानिक्स कैमरा और लेजर, बीजारोपण कणों और जांच के तहत तरल पदार्थ के नियंत्रण के लिए एक बाहरी ट्रिगर के रूप में कार्य करता है। एक फाइबर ऑप्टिक केबल या लिक्विड लाइट गाइड लेजर को लेंस सेटअप से जोड़ सकता है। PIV सॉफ़्टवेयर का उपयोग ऑप्टिकल छवियों को पोस्ट-प्रोसेस करने के लिए किया जाता है।

इतिहास

पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (पीआईवी) एक गैर-घुसपैठ ऑप्टिकल प्रवाह माप तकनीक है जिसका उपयोग द्रव प्रवाह पैटर्न और वेग का अध्ययन करने के लिए किया जाता है। पीआईवी ने वायुगतिकी, दहन, समुद्र विज्ञान और जैव तरल पदार्थ सहित विज्ञान और इंजीनियरिंग के विभिन्न क्षेत्रों में व्यापक अनुप्रयोग पाया है। पीआईवी के विकास का पता 20वीं सदी की शुरुआत में लगाया जा सकता है जब शोधकर्ताओं ने द्रव प्रवाह को देखने और मापने के लिए विभिन्न तरीकों की खोज शुरू की थी।

पीआईवी के शुरुआती दिनों का श्रेय जर्मन भौतिक विज्ञानी और इंजीनियर लुडविग प्रांटल के अग्रणी काम को दिया जा सकता है, जिन्हें अक्सर आधुनिक वायुगतिकी का जनक माना जाता है। 1920 के दशक में, प्रांटल और उनके सहयोगियों ने पवन सुरंगों में प्रवाह पैटर्न को देखने और मापने के लिए शैडोग्राफ और श्लीरेन तकनीकों का उपयोग किया। ये विधियाँ छवियों में कंट्रास्ट उत्पन्न करने के लिए रुचि के तरल क्षेत्रों और आसपास के माध्यम के बीच अपवर्तक सूचकांक अंतर पर निर्भर करती हैं। हालाँकि, ये विधियाँ गुणात्मक अवलोकनों तक ही सीमित थीं और मात्रात्मक वेग माप प्रदान नहीं करती थीं।

1960 के दशक में लेज़रों के आगमन ने प्रवाह दृश्य और माप के क्षेत्र में क्रांति ला दी। लेजर ने एक सुसंगत और मोनोक्रोमैटिक प्रकाश स्रोत प्रदान किया जिसे आसानी से केंद्रित और निर्देशित किया जा सकता है, जो उन्हें ऑप्टिकल प्रवाह निदान के लिए आदर्श बनाता है। 1960 के दशक के अंत और 1970 के दशक की शुरुआत में, आर्थर एल. लावोई, हर्वे एल.जे.एच. स्कोहियर और एड्रियन फ़ोरियाक्स जैसे शोधकर्ताओं ने स्वतंत्र रूप से पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (पीआईवी) की अवधारणा का प्रस्ताव रखा। पीआईवी का उपयोग शुरू में वायु प्रवाह का अध्ययन करने और हवा के वेग को मापने के लिए किया गया था, लेकिन इसका अनुप्रयोग जल्द ही द्रव गतिशीलता के अन्य क्षेत्रों में भी फैल गया।

प्रारंभिक पीआईवी सेटअप अपेक्षाकृत सरल थे और छवि रिकॉर्डिंग माध्यम के रूप में फोटोग्राफिक फिल्म का उपयोग किया जाता था। प्रवाह में जोड़े गए तेल की बूंदों या धुएं जैसे कणों को रोशन करने के लिए एक लेजर का उपयोग किया गया था, और परिणामी कण गति को फिल्म पर कैद किया गया था। फिर प्रवाह वेग की जानकारी प्राप्त करने के लिए फिल्मों का विकास और विश्लेषण किया गया। इन प्रारंभिक पीआईवी प्रणालियों में सीमित स्थानिक रिज़ॉल्यूशन था और ये श्रम-गहन थे, लेकिन उन्होंने द्रव प्रवाह व्यवहार में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान की।

1980 के दशक में, चार्ज-युग्मित डिवाइस (सीसीडी) और डिजिटल इमेज प्रोसेसिंग तकनीकों के विकास ने पीआईवी में क्रांति ला दी। सीसीडी कैमरों ने फोटोग्राफिक फिल्म को छवि रिकॉर्डिंग माध्यम के रूप में प्रतिस्थापित कर दिया, जिससे उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन, तेज़ डेटा अधिग्रहण और वास्तविक समय प्रसंस्करण क्षमताएं प्रदान की गईं। डिजिटल छवि प्रसंस्करण तकनीकों ने पीआईवी छवियों के सटीक और स्वचालित विश्लेषण की अनुमति दी, जिससे डेटा विश्लेषण के लिए आवश्यक समय और प्रयास काफी कम हो गया।

अगले दशकों में, PIV कई प्रमुख क्षेत्रों में विकसित और आगे बढ़ता रहा। एक महत्वपूर्ण प्रगति पीआईवी में दोहरे या एकाधिक एक्सपोज़र का उपयोग था, जिसने तात्कालिक और समय-औसत वेग क्षेत्रों दोनों को मापने की अनुमति दी। डुअल-एक्सपोज़र पीआईवी (अक्सर स्टीरियो पीआईवी या स्टीरियो-पीआईवी के रूप में जाना जाता है) ज्ञात समय विलंब के साथ लगातार दो छवियों को कैप्चर करने के लिए दो कैमरों का उपयोग करता है, जिससे एक विमान में तीन-घटक वेग वैक्टर की माप की अनुमति मिलती है। इसने प्रवाह क्षेत्र की अधिक संपूर्ण तस्वीर प्रदान की और अशांति और भंवर जैसे जटिल प्रवाह के अध्ययन को सक्षम बनाया।

पीआईवी में एक और प्रमुख प्रगति छवि विश्लेषण के लिए डिजिटल सहसंबंध एल्गोरिदम का विकास था। इन एल्गोरिदम ने पीआईवी छवियों के अधिक सटीक और कुशल प्रसंस्करण की अनुमति दी, जिससे उच्च स्थानिक रिज़ॉल्यूशन और तेज़ डेटा अधिग्रहण दर सक्षम हो गई। विभिन्न सहसंबंध एल्गोरिदम, जैसे क्रॉस-सहसंबंध, फूरियर-ट्रांसफॉर्म-आधारित सहसंबंध, और अनुकूली सहसंबंध, विकसित किए गए और पीआईवी अनुसंधान में व्यापक रूप से उपयोग किए गए।

जैसे-जैसे पीआईवी ने लोकप्रियता हासिल की, इसे दहन, समुद्र विज्ञान, बायोफ्लुइड्स और सूक्ष्म प्रवाह सहित वायुगतिकी से परे कई क्षेत्रों में अनुप्रयोग मिला। दहन अनुसंधान में, पीआईवी का उपयोग दहन प्रक्रियाओं के विवरण का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जैसे कि लौ प्रसार, प्रज्वलन और ईंधन एसपीकिरण गतिकी, दहन प्रणालियों में ईंधन और हवा के बीच जटिल अंतःक्रिया में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करती है। समुद्र विज्ञान में, पीआईवी का उपयोग जल धाराओं, लहरों और अशांति की गति का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जिससे समुद्र परिसंचरण पैटर्न और तटीय क्षरण को समझने में सहायता मिलती है। बायोफ्लुइड्स अनुसंधान में, पीआईवी को धमनियों और नसों में रक्त प्रवाह, श्वसन प्रवाह और सूक्ष्मजीवों में सिलिया और फ्लैगेला की गति का अध्ययन करने के लिए लागू किया गया है, जो शारीरिक प्रक्रियाओं और रोग तंत्र को समझने के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।

हाल के वर्षों में, पीआईवी का उपयोग सूक्ष्म प्रवाह में भी किया गया है, जहां छोटी लंबाई के पैमाने के कारण पारंपरिक माप तकनीकों को लागू करना चुनौतीपूर्ण है। माइक्रो-पीआईवी का उपयोग लैब-ऑन-ए-चिप सिस्टम जैसे माइक्रोफ्लुइडिक उपकरणों में प्रवाह का अध्ययन करने और दवा वितरण, बायोमेडिकल डायग्नोस्टिक्स और माइक्रोस्केल इंजीनियरिंग में अनुप्रयोगों के साथ बूंदों के गठन, मिश्रण और सेल गति जैसी घटनाओं की जांच करने के लिए किया गया है।

पीआईवी की उन्नति नए लेजर स्रोतों, कैमरों और छवि विश्लेषण तकनीकों के विकास से भी प्रेरित हुई है। लेजर तकनीक में प्रगति के कारण एनडी:वाईएजी लेजर और डायोड लेजर जैसे उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग शुरू हो गया है, जो बढ़ी हुई रोशनी की तीव्रता प्रदान करते हैं और अधिक चुनौतीपूर्ण वातावरण, जैसे उच्च गति प्रवाह और दहन प्रणाली में माप की अनुमति देते हैं। बेहतर संवेदनशीलता और फ्रेम दर के साथ उच्च गति वाले कैमरे भी विकसित किए गए हैं, जो उच्च अस्थायी रिज़ॉल्यूशन के साथ क्षणिक प्रवाह घटना को पकड़ने में सक्षम बनाते हैं। इसके अलावा, PIV माप की सटीकता और दक्षता को बढ़ाने के लिए उन्नत छवि विश्लेषण तकनीक, जैसे सहसंबंध-आधारित एल्गोरिदम, चरण-आधारित तरीके और मशीन लर्निंग एल्गोरिदम विकसित किए गए हैं।

तकनीकी प्रगति के अलावा, पीआईवी को अधिक व्यापक और बहु-पैरामीटर प्रवाह माप प्रदान करने के लिए अन्य माप तकनीकों, जैसे तापमान और एकाग्रता माप, के साथ भी एकीकृत किया गया है। उदाहरण के लिए, थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस या लेजर-प्रेरित प्रतिदीप्ति के साथ पीआईवी का संयोजन वेग और तापमान या एकाग्रता क्षेत्रों के एक साथ माप की अनुमति देता है, जो द्रव प्रवाह में गर्मी हस्तांतरण, मिश्रण और रासायनिक प्रतिक्रियाओं का अध्ययन करने के लिए मूल्यवान डेटा प्रदान करता है।

पीआईवी को कम्प्यूटेशनल द्रव गतिशीलता (सीएफडी) सिमुलेशन के विकास से भी लाभ हुआ है, जो द्रव प्रवाह व्यवहार की भविष्यवाणी और विश्लेषण करने के लिए शक्तिशाली उपकरण बन गए हैं। पीआईवी डेटा का उपयोग सीएफडी सिमुलेशन को मान्य और कैलिब्रेट करने के लिए किया जा सकता है, और बदले में, सीएफडी सिमुलेशन पीआईवी डेटा की व्याख्या और विश्लेषण में अंतर्दृष्टि प्रदान कर सकता है। प्रयोगात्मक पीआईवी माप और संख्यात्मक सिमुलेशन के संयोजन ने शोधकर्ताओं को द्रव प्रवाह घटना की गहरी समझ हासिल करने में सक्षम बनाया है और विभिन्न वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में नई खोजों और प्रगति को जन्म दिया है।

हाल के वर्षों में, PIV का उपयोग नए और उभरते क्षेत्रों में भी किया गया है, जैसे कि सूक्ष्म और नैनोस्केल प्रवाह, दानेदार प्रवाह और मल्टीफ़ेज़ प्रवाह। माइक्रो-पीआईवी और नैनो-पीआईवी का उपयोग माइक्रोचैनल, नैनोपोर्स और जैविक प्रणालियों में माइक्रोस्केल और नैनोस्केल पर प्रवाह का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जो इन लंबाई के पैमाने पर तरल पदार्थों के अद्वितीय व्यवहार में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। पीआईवी को हिमस्खलन और भूस्खलन जैसे दानेदार प्रवाह में कणों की गति का अध्ययन करने और बहुचरण प्रवाह, जैसे बुलबुले प्रवाह और तेल-पानी प्रवाह की जांच करने के लिए भी लागू किया गया है, जो पर्यावरण और औद्योगिक प्रक्रियाओं में महत्वपूर्ण हैं।

हाल के वर्षों में, पीआईवी ने उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं, जैसे कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, में भी आवेदन पाया है, जहां उच्च-गुणवत्ता और उच्च-सटीक उत्पादों को प्राप्त करने के लिए द्रव प्रवाह व्यवहार को समझना और अनुकूलित करना महत्वपूर्ण है। पीआईवी का उपयोग एडिटिव विनिर्माण प्रक्रियाओं में गैसों, तरल पदार्थ और पाउडर के प्रवाह की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जो प्रक्रिया मापदंडों में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है जो गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं।निर्मित उत्पादों की गुणवत्ता और गुण। हाल के वर्षों में, पीआईवी ने उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं, जैसे कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, में भी आवेदन पाया है, जहां उच्च-गुणवत्ता और उच्च-सटीक उत्पादों को प्राप्त करने के लिए द्रव प्रवाह व्यवहार को समझना और अनुकूलित करना महत्वपूर्ण है। पीआईवी का उपयोग एडिटिव विनिर्माण प्रक्रियाओं में गैसों, तरल पदार्थ और पाउडर के प्रवाह की गतिशीलता का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जो प्रक्रिया मापदंडों में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है जो निर्मित उत्पादों की गुणवत्ता और गुणों को प्रभावित करते हैं।

जैसे-जैसे पीआईवी आगे बढ़ रहा है और विकसित हो रहा है, तरल गतिकी में मौलिक अनुसंधान से लेकर इंजीनियरिंग, पर्यावरण विज्ञान और चिकित्सा में व्यावहारिक अनुप्रयोगों तक, व्यापक क्षेत्रों में इसके और अनुप्रयोग मिलने की उम्मीद है। लेजर, कैमरे, छवि विश्लेषण एल्गोरिदम में प्रगति और अन्य माप तकनीकों के साथ एकीकरण सहित पीआईवी तकनीकों का निरंतर विकास, इसकी क्षमताओं को और बढ़ाएगा और इसके अनुप्रयोगों को व्यापक बनाएगा।

पीआईवी का ऐतिहासिक विकास विज्ञान और इंजीनियरिंग के विभिन्न क्षेत्रों में सटीक और गैर-घुसपैठ प्रवाह माप की आवश्यकता से प्रेरित है। पीआईवी के प्रारंभिक वर्षों को बुनियादी पीआईवी तकनीकों के विकास द्वारा चिह्नित किया गया था, जैसे कि दो-फ्रेम पीआईवी, और मौलिक द्रव गतिशीलता अनुसंधान में पीआईवी का अनुप्रयोग, मुख्य रूप से शैक्षणिक सेटिंग्स में। जैसे ही पीआईवी ने लोकप्रियता हासिल की, शोधकर्ताओं ने इसे वायुगतिकी, दहन और समुद्र विज्ञान जैसे अधिक व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उपयोग करना शुरू कर दिया।

1980 और 1990 के दशक में डिजिटल इमेजिंग और कंप्यूटर प्रोसेसिंग क्षमताओं के आगमन ने PIV में क्रांति ला दी, जिससे मल्टी-फ्रेम PIV, स्टीरियो-PIV और टाइम-रिज़ॉल्यूशन PIV जैसी उन्नत PIV तकनीकों का विकास हुआ। इन तकनीकों ने उच्च सटीकता, उच्च स्थानिक और लौकिक रिज़ॉल्यूशन और त्रि-आयामी माप की अनुमति दी, पीआईवी की क्षमताओं का विस्तार किया और अधिक जटिल प्रवाह प्रणालियों में इसके अनुप्रयोग को सक्षम किया।

2000 और उसके बाद, उच्च-शक्ति लेजर, उच्च गति वाले कैमरे और उन्नत छवि विश्लेषण एल्गोरिदम के विकास के साथ पीआईवी का विकास जारी रहा। इन प्रगतियों ने पीआईवी को उच्च गति प्रवाह, दहन प्रणाली और सूक्ष्म प्रवाह जैसी चरम स्थितियों में उपयोग करने में सक्षम बनाया है, जिससे पीआईवी अनुसंधान के लिए नई सीमाएं खुल गई हैं। पीआईवी को अन्य माप तकनीकों, जैसे तापमान और एकाग्रता माप, के साथ भी एकीकृत किया गया है और इसका उपयोग उभरते क्षेत्रों, जैसे कि सूक्ष्म और नैनोस्केल प्रवाह, दानेदार प्रवाह और योजक विनिर्माण में किया गया है।

पीआईवी का ऐतिहासिक विकास विज्ञान और इंजीनियरिंग के विभिन्न क्षेत्रों में कई अनुप्रयोगों के साथ हुआ है। वायुगतिकी में, PIV का उपयोग विमान के पंखों, रोटर ब्लेड और अन्य वायुगतिकीय सतहों पर प्रवाह का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जो इन प्रणालियों के प्रवाह व्यवहार और वायुगतिकीय प्रदर्शन में अंतर्दृष्टि प्रदान करता है। दहन अनुसंधान में, PIV का उपयोग दहन प्रक्रियाओं के विवरण का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जैसे कि लौ प्रसार, प्रज्वलन और ईंधन स्प्रे गतिशीलता, जो दहन प्रणालियों में ईंधन और हवा के बीच जटिल बातचीत में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान करता है।

समुद्र विज्ञान में, पीआईवी का उपयोग जल धाराओं, लहरों और अशांति की गति का अध्ययन करने के लिए किया गया है, जिससे समुद्र परिसंचरण पैटर्न और तटीय क्षरण को समझने में सहायता मिलती है। बायोफ्लुइड्स अनुसंधान में, पीआईवी को धमनियों और नसों में रक्त प्रवाह, श्वसन प्रवाह और सूक्ष्मजीवों में सिलिया और फ्लैगेला की गति का अध्ययन करने के लिए लागू किया गया है, जो शारीरिक प्रक्रियाओं और रोग तंत्र को समझने के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।

PIV का उपयोग पर्यावरण विज्ञान में हवा और पानी में प्रदूषकों के फैलाव, नदियों और तटीय क्षेत्रों में तलछट परिवहन और प्राकृतिक और इंजीनियर प्रणालियों में प्रदूषकों के व्यवहार का अध्ययन करने के लिए भी किया गया है। ऊर्जा अनुसंधान में, PIV का उपयोग पवन टरबाइनों, जलविद्युत ऊर्जा संयंत्रों और इंजनों और टरबाइनों में दहन प्रक्रियाओं में प्रवाह व्यवहार का अध्ययन करने के लिए किया गया है।ईएस, अधिक कुशल और पर्यावरण के अनुकूल ऊर्जा प्रणालियों के विकास में सहायता करना।

उपकरण और यंत्र

बीज कण

दहन में PIV का अनुप्रयोग

सीडिंग (द्रव गतिकी) कण (पारिस्थितिकी) पीआईवी प्रणाली का स्वाभाविक रूप से महत्वपूर्ण घटक हैं। जांच के तहत तरल पदार्थ के आधार पर, कणों को तरल गुणों से काफी हद तक मेल खाने में सक्षम होना चाहिए। अन्यथा वे पीआईवी विश्लेषण को सटीक माने जाने के लिए पर्याप्त रूप से प्रवाह का संतोषजनक ढंग से पालन नहीं करेंगे। आदर्श कणों का घनत्व प्रयुक्त द्रव प्रणाली के समान होगा और वे गोलाकार होते हैं (इन कणों को माइक्रोस्फेयर कहा जाता है)। जबकि वास्तविक कण चयन तरल पदार्थ की प्रकृति पर निर्भर करता है, आम तौर पर मैक्रो पीआईवी जांच के लिए वे कांच के मोती, POLYSTYRENE, POLYETHYLENE, एल्यूमीनियम के टुकड़े या तेल की बूंदें होते हैं (यदि जांच के तहत तरल पदार्थ गैस है)। बीजित कणों के लिए अपवर्तनांक उस द्रव से भिन्न होना चाहिए जिसे वे बीजित कर रहे हैं, ताकि द्रव प्रवाह पर आपतित लेजर शीट कणों से परावर्तित हो जाए और कैमरे की ओर बिखर जाए।

कण आमतौर पर 10 से 100 माइक्रोमीटर के क्रम में व्यास के होते हैं। आकार के लिए, कण इतने छोटे होने चाहिए कि द्रव की गति के लिए कणों की विलंबता (इंजीनियरिंग) प्रवाह का सटीक रूप से पालन करने के लिए काफी कम हो, फिर भी घटना लेजर प्रकाश की एक महत्वपूर्ण मात्रा को बिखेरने के लिए पर्याप्त बड़ी हो। दहन से जुड़े कुछ प्रयोगों के लिए, आग की लपटों पर अक्रिय कणों के शमन प्रभाव से बचने के लिए, बीजक कणों का आकार 1 माइक्रोमीटर के क्रम में छोटा हो सकता है। कणों के छोटे आकार के कारण, कणों की गति स्टोक्स के नियम पर हावी होती है और स्थिरीकरण या वृद्धि को प्रभावित करती है। ऐसे मॉडल में जहां कणों को बहुत कम रेनॉल्ड्स संख्या पर गोलाकार (सूक्ष्ममंडल) के रूप में तैयार किया जाता है, द्रव के प्रवाह का अनुसरण करने की कणों की क्षमता कणों और तरल पदार्थ के बीच घनत्व में अंतर के व्युत्क्रमानुपाती होती है, और उनके व्यास के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती भी होती है। कणों से प्रकीर्णित प्रकाश माई प्रकीर्णन पर हावी होता है और यह कणों के व्यास के वर्ग के समानुपाती भी होता है। इस प्रकार लेजर शीट विमान के भीतर सभी कणों को सटीक रूप से प्रवाहित करने के लिए पर्याप्त प्रकाश बिखेरने के लिए कण आकार को संतुलित करने की आवश्यकता होती है, लेकिन प्रवाह का सटीक रूप से पालन करने के लिए पर्याप्त छोटा होता है।

बीजारोपण तंत्र को भी इस प्रकार डिज़ाइन करने की आवश्यकता है कि प्रवाह को अत्यधिक परेशान किए बिना प्रवाह को पर्याप्त मात्रा में बीजित किया जा सके।

कैमरा

प्रवाह पर पीआईवी विश्लेषण करने के लिए, प्रवाह से कैमरे पर लेजर प्रकाश के दो एक्सपोजर (फोटोग्राफी) की आवश्यकता होती है। मूल रूप से, उच्च गति पर कई तस्वीरें खींचने में कैमरों की असमर्थता के कारण, दोनों एक्सपोज़र को एक ही फ्रेम पर कैप्चर किया गया था और प्रवाह को निर्धारित करने के लिए इस एकल फ्रेम का उपयोग किया गया था। इस विश्लेषण के लिए ऑटोसहसंबंध नामक प्रक्रिया का उपयोग किया गया था। हालाँकि, स्वतःसहसंबंध के परिणामस्वरूप प्रवाह की दिशा अस्पष्ट हो जाती है, क्योंकि यह स्पष्ट नहीं है कि कौन से कण धब्बे पहले नाड़ी से हैं और कौन से दूसरे नाड़ी से हैं। चार्ज-युग्मित डिवाइस या सीएमओएस चिप्स का उपयोग करने वाले तेज़ डिजिटल कैमरे तब से विकसित किए गए थे जो फ्रेम के बीच कुछ सौ एनएस अंतर के साथ उच्च गति पर दो फ्रेम कैप्चर कर सकते हैं। इसने अधिक सटीक क्रॉस-सहसंबंध विश्लेषण के लिए प्रत्येक एक्सपोज़र को अपने स्वयं के फ्रेम पर अलग करने की अनुमति दी है। सामान्य कैमरों की सीमा यह है कि यह तेज़ गति कुछ शॉट्स तक ही सीमित होती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि शॉट्स की प्रत्येक जोड़ी को अन्य जोड़ी शॉट्स लेने से पहले कंप्यूटर में स्थानांतरित किया जाना चाहिए। विशिष्ट कैमरे बहुत धीमी गति से केवल एक जोड़ी शॉट ही ले सकते हैं। हाई स्पीड सीसीडी या सीएमओएस कैमरे उपलब्ध हैं लेकिन वे बहुत अधिक महंगे हैं।

पराबैंगनीकिरण और प्रकाशिकी

मैक्रो पीआईवी सेटअप के लिए, कम पल्स अवधि के साथ उच्च-शक्ति प्रकाश किरणें उत्पन्न करने की उनकी क्षमता के कारण लेजर प्रमुख हैं। इससे प्रत्येक फ़्रेम के लिए छोटी शटर गति प्राप्त होती है। एनडी: वाईएजी लेजर, आमतौर पर पीआईवी सेटअप में उपयोग किया जाता है, मुख्य रूप से 1064 एनएम तरंग दैर्ध्य और इसके हार्मोनिक्स (532, 266, आदि) पर उत्सर्जित होता है। सुरक्षा कारणों से, लेजर उत्सर्जन आमतौर पर 532 एनएम हार्मोनिक्स को अलग करने के लिए बंदपास छननी होता है (यह है) हरा प्रकाश, नग्न आंखों से देखा जा सकने वाला एकमात्र हार्मोनिक)। लेजर लाइट को प्रायोगिक सेटअप तक निर्देशित करने के लिए फाइबर ऑप्टिक केबल या लिक्विड लाइट गाइड का उपयोग किया जा सकता है।

प्रकाशिकी में एक गोलाकार लेंस और बेलनाकार लेंस संयोजन होता है। बेलनाकार लेंस लेज़र को एक समतल में फैलाता है जबकि गोलाकार लेंस समतल को एक पतली शीट में संपीड़ित करता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि पीआईवी तकनीक आम तौर पर लेजर शीट के लिए सामान्य गति को माप नहीं सकती है और इसलिए आदर्श रूप से इसे पूरी तरह से 2-आयामी लेजर शीट को बनाए रखकर समाप्त किया जाता है। गोलाकार लेंस लेजर शीट को वास्तविक 2-आयामी विमान में संपीड़ित नहीं कर सकता है। न्यूनतम मोटाई लेज़र प्रकाश की तरंग दैर्ध्य के क्रम पर होती है और प्रकाशिकी सेटअप (गोलाकार लेंस का केंद्र बिंदु) से एक सीमित दूरी पर होती है। प्रयोग के विश्लेषण क्षेत्र को स्थापित करने के लिए यह आदर्श स्थान है।

जांच क्षेत्र के भीतर कणों पर ठीक से ध्यान केंद्रित करने और उनकी कल्पना करने के लिए कैमरे के लिए सही लेंस का भी चयन किया जाना चाहिए।

सिंक्रनाइज़र

सिंक्रोनाइज़र कैमरा और लेजर दोनों के लिए बाहरी ट्रिगर के रूप में कार्य करता है। जबकि फोटोरेज़िस्टर्स , घूमने वाले APERTURE और प्रकाश स्रोत के रूप में एनालॉग सिस्टम का उपयोग अतीत में किया गया है, आज उपयोग में आने वाले अधिकांश सिस्टम डिजिटल हैं। कंप्यूटर द्वारा नियंत्रित, सिंक्रोनाइज़र सीसीडी कैमरे के अनुक्रम के प्रत्येक फ्रेम के समय को लेजर की फायरिंग के साथ 1 एनएस परिशुद्धता के भीतर निर्देशित कर सकता है। इस प्रकार लेजर के प्रत्येक पल्स और कैमरे के समय के संदर्भ में लेजर शॉट के प्लेसमेंट के बीच के समय को सटीक रूप से नियंत्रित किया जा सकता है। इस समय का ज्ञान महत्वपूर्ण है क्योंकि पीआईवी विश्लेषण में द्रव का वेग निर्धारित करने के लिए यह आवश्यक है। स्टैंड-अलोन इलेक्ट्रॉनिक सिंक्रोनाइज़र, जिन्हें डिजिटल विलंब जनरेटर कहा जाता है, कम से कम 250 पीएस से लेकर कई एमएस तक के वेरिएबल रिज़ॉल्यूशन टाइमिंग की पेशकश करते हैं। सिंक्रनाइज़ टाइमिंग के आठ चैनलों के साथ, वे कई फ्लैश लैंप और क्यू-स्विच को नियंत्रित करने के साथ-साथ कई कैमरा एक्सपोज़र प्रदान करने के साधन प्रदान करते हैं।

विश्लेषण

PIV-एक भंवर जोड़ी का विश्लेषण। ऊपरी बाईं ओर का आवर्धन स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में वृद्धि को दर्शाता है जिसे आधुनिक मल्टी-पास विंडो विरूपण तकनीक का उपयोग करके प्राप्त किया जा सकता है।

फ़्रेम को बड़ी संख्या में पूछताछ क्षेत्रों, या खिड़कियों में विभाजित किया गया है। फिर संकेत आगे बढ़ाना और ऑटोसहसंबंध या क्रॉस-सहसंबंध तकनीकों की मदद से प्रत्येक विंडो के लिए विस्थापन (वेक्टर) वेक्टर (ज्यामितीय) की गणना करना संभव है। इसे लेजर शॉट्स और कैमरे पर प्रत्येक पिक्सेल के भौतिक आकार के बीच के समय का उपयोग करके वेग में परिवर्तित किया जाता है। पूछताछ विंडो का आकार औसतन प्रति विंडो कम से कम 6 कण रखने के लिए चुना जाना चाहिए। पीआईवी विश्लेषण का एक दृश्य उदाहरण यहां देखा जा सकता है।

सिंक्रोनाइज़र छवि एक्सपोज़र के बीच के समय को नियंत्रित करता है और प्रवाह के साथ विभिन्न समय पर छवि जोड़े प्राप्त करने की अनुमति भी देता है। सटीक पीआईवी विश्लेषण के लिए, यह आदर्श है कि प्रवाह का वह क्षेत्र जो रुचि का है, लगभग 8 पिक्सेल का औसत कण विस्थापन प्रदर्शित करना चाहिए। यह लंबे समय के अंतर के बीच एक समझौता है जो कणों को फ्रेम के बीच आगे की यात्रा करने की अनुमति देगा, जिससे यह पहचानना कठिन हो जाएगा कि कौन सी पूछताछ विंडो किस बिंदु तक गई, और कम समय का अंतर है, जिससे प्रवाह के भीतर किसी भी विस्थापन की पहचान करना अत्यधिक कठिन हो सकता है।

प्रत्येक कण से बिखरी हुई रोशनी छवि पर 2 से 4 पिक्सेल के क्षेत्र में होनी चाहिए। यदि बहुत बड़ा क्षेत्र रिकॉर्ड किया जाता है, तो कण छवि का आकार गिर जाता है और उप पिक्सेल परिशुद्धता के नुकसान के साथ पीक लॉकिंग हो सकती है। पीक लॉकिंग प्रभाव को दूर करने के तरीके मौजूद हैं, लेकिन उन्हें कुछ अतिरिक्त काम की आवश्यकता होती है।

रुकी हुई फ्लैट प्लेट का पीआईवी विश्लेषण, कतरनी दर आरोपित

यदि घर में PIV विशेषज्ञता है और सिस्टम विकसित करने के लिए समय है, भले ही यह मामूली न हो, एक कस्टम PIV सिस्टम बनाना संभव है। हालाँकि, अनुसंधान ग्रेड PIV सिस्टम में अनुसंधान में आवश्यक प्रयोगों के व्यापक स्पेक्ट्रम के साथ माप लेने में सक्षम होने के लिए उच्च शक्ति वाले लेजर और उच्च अंत कैमरा विनिर्देश होते हैं।

इंस्टालेशन के बिना PIV विश्लेषण का एक उदाहरण [1]

पीआईवी डिजिटल छवि सहसंबंध से निकटता से संबंधित है, एक ऑप्टिकल विस्थापन माप तकनीक जो ठोस सामग्रियों के विरूपण का अध्ययन करने के लिए सहसंबंध तकनीकों का उपयोग करती है।

पेशे/नुकसान

फायदे

यह विधि, काफी हद तक, गैर-दखल देने वाली है। जोड़े गए ट्रेसर (यदि उन्हें ठीक से चुना गया है) आम तौर पर द्रव प्रवाह में नगण्य विकृति पैदा करते हैं। ऑप्टिकल माप पायलट ट्यूब , हॉटवायर एनिमोमीटर या अन्य घुसपैठ प्रवाह माप जांच की आवश्यकता से बचाता है। यह विधि प्रवाह क्षेत्र के संपूर्ण द्वि-आयामी क्रॉस सेक्शन (ज्यामिति) को एक साथ मापने में सक्षम है।

उच्च गति डाटा प्रासेसिंग बड़ी संख्या में छवि जोड़े की पीढ़ी की अनुमति देती है, जिसका व्यक्तिगत कंप्यूटर पर वास्तविक समय कंप्यूटिंग में या बाद में विश्लेषण किया जा सकता है, और उच्च मात्रा में लगभग-निरंतर जानकारी प्राप्त की जा सकती है।

उप पिक्सेल विस्थापन मान उच्च स्तर की सटीकता की अनुमति देते हैं, क्योंकि प्रत्येक वेक्टर एक विशेष टाइल के भीतर कई कणों के लिए सांख्यिकीय औसत है। विस्थापन आम तौर पर छवि तल पर एक पिक्सेल के 10% तक सटीक हो सकता है।

कमियाँ

कुछ मामलों में, कण अपने उच्च घनत्व के कारण, द्रव (गैस/तरल) की गति का पूरी तरह से पालन नहीं करेंगे। उदाहरण के लिए, यदि पानी में प्रयोग किए जाते हैं, तो पानी के समान घनत्व वाले बहुत सस्ते कणों (उदाहरण के लिए ~ 60 माइक्रोमीटर व्यास वाला प्लास्टिक पाउडर) को ढूंढना आसानी से संभव है। यदि घनत्व अभी भी फिट नहीं होता है, तो द्रव का तापमान बढ़ाकर/घटाकर उसके घनत्व को समायोजित किया जा सकता है। इससे रेनॉल्ड्स संख्या में थोड़ा बदलाव होता है, इसलिए इसके लिए द्रव वेग या प्रायोगिक वस्तु के आकार को बदलना पड़ता है।

कण छवि वेलोसिमेट्री विधियाँ सामान्यतः z-अक्ष (कैमरे से दूर/की ओर) के साथ घटकों को मापने में सक्षम नहीं होंगी। ये घटक न केवल छूट सकते हैं, बल्कि वे लंबन के कारण x/y-घटकों के डेटा में हस्तक्षेप भी उत्पन्न कर सकते हैं। ये समस्याएँ स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी में मौजूद नहीं हैं, जो सभी तीन वेग घटकों को मापने के लिए दो कैमरों का उपयोग करता है।

चूंकि परिणामी वेग वेक्टर प्रवाह के छोटे क्षेत्रों पर तीव्रता वितरण को क्रॉस-सहसंबंधित करने पर आधारित होते हैं, परिणामी वेग क्षेत्र वास्तविक वेग क्षेत्र का स्थानिक रूप से औसत प्रतिनिधित्व होता है। यह स्पष्ट रूप से वेग क्षेत्र, भंवर और स्थानिक सहसंबंध कार्यों के स्थानिक व्युत्पन्न की सटीकता के लिए परिणाम है जो अक्सर पीआईवी वेग क्षेत्रों से प्राप्त होते हैं।

अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले पीआईवी सिस्टम अक्सर लेजर सुरक्षा और उच्च-रिज़ॉल्यूशन, उच्च गति वाले कैमरों का उपयोग करते हैं, जो लागत और सुरक्षा बाधाएं लाते हैं।

अधिक जटिल PIV सेटअप

त्रिविम PIV

स्टीरियोस्कोपिक PIV, z-अक्ष विस्थापन को निकालने के लिए अलग-अलग कोणों वाले दो कैमरों का उपयोग करता है। दोनों कैमरों को प्रवाह में एक ही स्थान पर केंद्रित किया जाना चाहिए और फोकस में एक ही बिंदु रखने के लिए उचित रूप से कैलिब्रेट किया जाना चाहिए।

मौलिक द्रव यांत्रिकी में, एक्स, वाई और जेड दिशाओं में एक इकाई समय के भीतर विस्थापन को आमतौर पर चर यू, वी और डब्ल्यू द्वारा परिभाषित किया जाता है। जैसा कि पहले बताया गया था, मूल पीआईवी यू और वी विस्थापन को इन-प्लेन एक्स और वाई दिशाओं के कार्यों के रूप में निकालता है। यह की गणना सक्षम बनाता है $U_{x}$, $V_{y}$, $U_{y}$ और $V_{x}$ वेग प्रवणता. हालाँकि, इस जानकारी से वेग ग्रेडिएंट टेंसर के अन्य 5 पद नहीं मिल पा रहे हैं। त्रिविम PIV विश्लेषण उस तल के भीतर Z-अक्ष विस्थापन घटक, W भी प्रदान करता है। यह न केवल रुचि के तल पर द्रव का Z-अक्ष वेग प्रदान करता है, बल्कि दो और वेग प्रवणता शर्तें निर्धारित की जा सकती हैं: $W_{x}$ और $W_{y}$. वेग ढाल घटक $U_{z}$, $V_{z}$, और $W_{z}$ तय नहीं किया जा सकता। वेग ढाल घटक टेंसर बनाते हैं:

${\begin{bmatrix}U_{x}&U_{y}&U_{z}\\V_{x}&V_{y}&V_{z}\\W_{x}&W_{y}&W_{z}\\\end{bmatrix}}$

डुअल प्लेन स्टीरियोस्कोपिक PIV

यह पहले वाले से सीधे ऑफसेट जांच के दूसरे स्तर को जोड़कर स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी का विस्तार है। इस विश्लेषण के लिए चार कैमरों की आवश्यकता है. लेज़र प्रकाश के दो तल लेज़र उत्सर्जन को बीम स्प्लिटर से दो किरणों में विभाजित करके बनाए जाते हैं। फिर प्रत्येक किरण को एक दूसरे के संबंध में ऑर्थोगोनल रूप से ध्रुवीकृत किया जाता है। इसके बाद, उन्हें प्रकाशिकी के एक सेट के माध्यम से प्रेषित किया जाता है और दो विमानों में से एक को एक साथ रोशन करने के लिए उपयोग किया जाता है।

चारों कैमरों को दो-दो के समूह में जोड़ा गया है। प्रत्येक जोड़ी सिंगल-प्लेन स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी की तरह ही लेजर शीट में से एक पर ध्यान केंद्रित करती है। चार कैमरों में से प्रत्येक में एक ध्रुवीकरण फ़िल्टर होता है जिसे केवल ध्रुवीकृत बिखरी हुई रोशनी को रुचि के संबंधित विमानों से गुजरने देने के लिए डिज़ाइन किया गया है। यह अनिवार्य रूप से एक ऐसी प्रणाली बनाता है जिसके द्वारा दो अलग-अलग स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी विश्लेषण सेटअप एक साथ चलाए जाते हैं, जिसमें रुचि के विमानों के बीच केवल न्यूनतम पृथक्करण दूरी होती है।

यह तकनीक उन तीन वेग प्रवणता घटकों के निर्धारण की अनुमति देती है जिनकी एकल-प्लेन स्टीरियोस्कोपिक PIV गणना नहीं कर सका: $U_{z}$, $V_{z}$, और $W_{z}$. इस तकनीक से, रुचि के 2-आयामी तल पर तरल पदार्थ के संपूर्ण वेग ग्रेडिएंट टेंसर की मात्रा निर्धारित की जा सकती है। एक कठिनाई यह उत्पन्न होती है कि लेज़र शीट को एक-दूसरे के काफी करीब रखा जाना चाहिए ताकि एक द्वि-आयामी विमान का अनुमान लगाया जा सके, फिर भी इतना ऑफसेट किया जा सके कि सार्थक वेग ग्रेडिएंट्स को z-दिशा में पाया जा सके।

मल्टी-प्लेन स्टीरियोस्कोपिक PIV

डुअल-प्लेन स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी विचार के कई विस्तार उपलब्ध हैं। बीमस्प्लिटर और क्वार्टर-वेव प्लेटों के एक सेट का उपयोग करके कई समानांतर लेजर शीट बनाने का एक विकल्प है, जो एकल लेजर इकाई और स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी सेटअप का उपयोग करके तीन या अधिक विमान प्रदान करता है, जिसे XPIV कहा जाता है।

माइक्रो PIV

एपिफ्लोरेसेंट माइक्रोस्कोप के उपयोग से सूक्ष्म प्रवाह का विश्लेषण किया जा सकता है। माइक्रोपीआईवी फ्लोरेसिंग कणों का उपयोग करता है जो एक विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर उत्तेजित होते हैं और दूसरे तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित होते हैं। लेजर प्रकाश एक डाइक्रोइक दर्पण के माध्यम से परिलक्षित होता है, एक उद्देश्य लेंस के माध्यम से यात्रा करता है जो रुचि के बिंदु पर ध्यान केंद्रित करता है, और एक क्षेत्रीय मात्रा को रोशन करता है। कणों से उत्सर्जन, परावर्तित लेजर प्रकाश के साथ, उद्देश्य, डाइक्रोइक दर्पण और एक उत्सर्जन फिल्टर के माध्यम से वापस चमकता है जो लेजर प्रकाश को अवरुद्ध करता है। जहां PIV अपने 2-आयामी विश्लेषण गुणों को लेजर शीट की समतल प्रकृति से प्राप्त करता है, वहीं माइक्रोPIV एक समय में केवल एक विमान पर ध्यान केंद्रित करने के लिए ऑब्जेक्टिव लेंस की क्षमता का उपयोग करता है, इस प्रकार देखने योग्य कणों का 2-आयामी विमान बनाता है। माइक्रोपीआईवी कण कई सौ एनएम व्यास के होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे ब्राउनियन गति के प्रति बेहद संवेदनशील होते हैं। इस प्रकार, इस तकनीक के लिए एक विशेष समूह औसत विश्लेषण तकनीक का उपयोग किया जाना चाहिए। वास्तविक वेग क्षेत्र को निर्धारित करने के लिए बुनियादी पीआईवी विश्लेषणों की एक श्रृंखला के क्रॉस-सहसंबंध को एक साथ औसत किया जाता है। इस प्रकार, केवल स्थिर प्रवाह की ही जांच की जा सकती है। विशेष प्रीप्रोसेसिंग तकनीकों का भी उपयोग किया जाना चाहिए क्योंकि छवियों में पृष्ठभूमि शोर और कम सिग्नल-शोर अनुपात से शून्य-विस्थापन पूर्वाग्रह होता है। आमतौर पर, अधिकतम संभव उत्सर्जन प्रकाश को पकड़ने के लिए उच्च संख्यात्मक एपर्चर उद्देश्यों का भी उपयोग किया जाता है। इन्हीं कारणों से ऑप्टिक का चुनाव भी महत्वपूर्ण है।

होलोग्राफिक PIV

होलोग्राफिक पीआईवी (एचपीआईवी) में विभिन्न प्रकार की प्रयोगात्मक तकनीकें शामिल हैं जो एक सेंसर विमान पर बिखरे हुए प्रकाश घटना के आयाम और चरण की जानकारी को एन्कोड करने के लिए एक कण और एक संदर्भ किरण द्वारा बिखरे हुए सुसंगत प्रकाश के हस्तक्षेप का उपयोग करती हैं। यह एन्कोडेड जानकारी, जिसे होलोग्राम के रूप में जाना जाता है, का उपयोग ऑप्टिकल तरीकों या डिजिटल सन्निकटन के माध्यम से मूल संदर्भ बीम के साथ होलोग्राम को रोशन करके मूल तीव्रता क्षेत्र के पुनर्निर्माण के लिए किया जा सकता है। वेग क्षेत्र प्राप्त करने के लिए 3-डी क्रॉस-सहसंबंध तकनीकों का उपयोग करके तीव्रता क्षेत्र से पूछताछ की जाती है।

ऑफ-एक्सिस HPIV ऑब्जेक्ट और संदर्भ तरंगें प्रदान करने के लिए अलग-अलग बीम का उपयोग करता है। इस सेटअप का उपयोग बिखरने वाले माध्यम के भीतर दो तरंगों के हस्तक्षेप से उत्पन्न होने वाले धब्बेदार शोर से बचने के लिए किया जाता है, जो तब होता है जब वे दोनों माध्यम के माध्यम से प्रसारित होते हैं। एक ऑफ-एक्सिस प्रयोग एक अत्यधिक जटिल ऑप्टिकल प्रणाली है जिसमें कई ऑप्टिकल तत्व शामिल होते हैं, और पाठक को शेंग एट अल में एक उदाहरण योजनाबद्ध के रूप में संदर्भित किया जाता है। अधिक संपूर्ण प्रस्तुति के लिए।

इन-लाइन होलोग्राफी एक और दृष्टिकोण है जो कण इमेजिंग के लिए कुछ अद्वितीय लाभ प्रदान करता है। शायद इनमें से सबसे बड़ा आगे बिखरी हुई रोशनी का उपयोग है, जो किरण की दिशा में सामान्य रूप से उन्मुख बिखरने की तुलना में उज्जवल परिमाण का क्रम है। इसके अतिरिक्त, ऐसे सिस्टम का ऑप्टिकल सेटअप बहुत सरल होता है क्योंकि अवशिष्ट प्रकाश को अलग करने और किसी अलग स्थान पर पुन: संयोजित करने की आवश्यकता नहीं होती है। इन-लाइन कॉन्फ़िगरेशन सीसीडी सेंसर लगाने के लिए अपेक्षाकृत आसान विस्तार भी प्रदान करता है, जिससे प्रयोगों का एक अलग वर्ग बनता है जिसे डिजिटल इन-लाइन होलोग्राफी के रूप में जाना जाता है। ऐसे सेटअप की जटिलता ऑप्टिकल सेटअप से इमेज पोस्ट-प्रोसेसिंग में बदल जाती है, जिसमें सिम्युलेटेड रेफरेंस बीम का उपयोग शामिल होता है। इन विषयों पर आगे की चर्चा इस लेख के दायरे से परे है और इसका इलाज अरोयो और हिन्श में किया गया है रेफरी>एम. पी. अरोयो और के.डी. हिन्श, 3डी मापन की ओर पीआईवी के हालिया विकास, पीपी. 127-154, स्प्रिंगर, 2008।</ref>

विभिन्न प्रकार के मुद्दे HPIV परिणामों की गुणवत्ता को ख़राब करते हैं। मुद्दों की पहली श्रेणी में पुनर्निर्माण ही शामिल है। होलोग्राफी में, किसी कण की वस्तु तरंग को आमतौर पर गोलाकार माना जाता है; हालाँकि, माई स्कैटरिंग सिद्धांत के कारण, यह तरंग एक जटिल आकार है जो पुनर्निर्मित कण को ​​विकृत कर सकती है। एक अन्य मुद्दा पर्याप्त धब्बेदार शोर की उपस्थिति है जो कण छवियों के समग्र सिग्नल-टू-शोर अनुपात को कम करता है। यह प्रभाव इन-लाइन होलोग्राफिक सिस्टम के लिए अधिक चिंता का विषय है क्योंकि संदर्भ किरण बिखरे हुए ऑब्जेक्ट बीम के साथ वॉल्यूम के माध्यम से प्रसारित होती है। शोर को बिखरने वाले माध्यम में अशुद्धियों के माध्यम से भी पेश किया जा सकता है, जैसे तापमान भिन्नता और खिड़की की खराबी। क्योंकि होलोग्राफी के लिए सुसंगत इमेजिंग की आवश्यकता होती है, ये प्रभाव पारंपरिक इमेजिंग स्थितियों की तुलना में बहुत अधिक गंभीर होते हैं। इन कारकों के संयोजन से सहसंबंध प्रक्रिया की जटिलता बढ़ जाती है। विशेष रूप से, HPIV रिकॉर्डिंग में धब्बेदार शोर अक्सर पारंपरिक छवि-आधारित सहसंबंध विधियों को उपयोग करने से रोकता है। इसके बजाय, एकल कण पहचान और सहसंबंध लागू किया जाता है, जो कण संख्या घनत्व पर सीमा निर्धारित करता है। इन त्रुटि स्रोतों की अधिक व्यापक रूपरेखा मेंग एट अल में दी गई है। रेफरी>Meng, H.; Pan, G.; Pu, Y.; Woodward, S. H. (2004). "होलोग्राफिक कण छवि वेलोसिमेट्री: फिल्म से डिजिटल रिकॉर्डिंग तक". Measurement Science and Technology. 15 (4): 673–685. Bibcode:2004MeScT..15..673M. doi:10.1088/0957-0233/15/4/009. S2CID 250922660.</ref>

इन मुद्दों के प्रकाश में, ऐसा लग सकता है कि एचपीआईवी प्रवाह माप के लिए उपयोग करने के लिए बहुत जटिल और त्रुटि-प्रवण है। हालाँकि, सभी होलोग्राफिक दृष्टिकोणों से कई प्रभावशाली परिणाम प्राप्त हुए हैं। स्विज़ेर और कोहेन रेफरी>Svizher, A.; Cohen, J. (2006). "वायु चैनल प्रवाह में हेयरपिन भंवरों की माप के लिए होलोग्राफिक कण छवि वेलोसिमेट्री प्रणाली". Experiments in Fluids. 40 (5): 708–722. Bibcode:2006ExFl...40..708S. doi:10.1007/s00348-006-0108-y. S2CID 125034239.</ref> हेयरपिन भंवरों की भौतिकी का अध्ययन करने के लिए एक हाइब्रिड एचपीआईवी प्रणाली का उपयोग किया गया। ताओ एट अल. रेफरी>Tao, B.; Katz, J.; Meneveau, C. (2000). "उच्च रेनॉल्ड्स संख्या अशांति में ज्यामिति और पैमाने के संबंध त्रि-आयामी होलोग्राफिक वेलोसिमेट्री से निर्धारित होते हैं". Physics of Fluids. 12 (5): 941–944. Bibcode:2000PhFl...12..941T. doi:10.1063/1.870348.</ref> उच्च रेनॉल्ड्स संख्या अशांति में भंवर और तनाव दर टेंसर के संरेखण की जांच की। अंतिम उदाहरण के रूप में, शेंग एट अल।अशांत सीमा परतों में अशांत कतरनी तनाव और वेग की निकट-दीवार माप करने के लिए होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया जाता है।

स्कैनिंग PIV

एक घूमने वाले दर्पण, एक उच्च गति वाले कैमरे का उपयोग करके और ज्यामितीय परिवर्तनों को सही करके, पीआईवी को पूरे प्रवाह क्षेत्र में विमानों के एक सेट पर लगभग तुरंत निष्पादित किया जा सकता है। फिर तलों के बीच द्रव गुणों को प्रक्षेपित किया जा सकता है। इस प्रकार, लक्ष्य मात्रा पर अर्ध-वॉल्यूमेट्रिक विश्लेषण किया जा सकता है। 3-आयामी वॉल्यूमेट्रिक विश्लेषण का अनुमान लगाने के लिए वर्णित अन्य 2-आयामी पीआईवी विधियों के संयोजन में पीआईवी को स्कैन किया जा सकता है।

टोमोग्राफिक पीआईवी

टोमोग्राफिक पीआईवी 3-डी माप मात्रा के भीतर ट्रेसर कणों की रोशनी, रिकॉर्डिंग और पुनर्निर्माण पर आधारित है। तकनीक प्रबुद्ध मात्रा के एक साथ दृश्यों को रिकॉर्ड करने के लिए कई कैमरों का उपयोग करती है, जिसे बाद में एक विवेकाधीन 3-डी तीव्रता क्षेत्र प्राप्त करने के लिए पुनर्निर्मित किया जाता है। वॉल्यूम के भीतर 3-डी, 3-सी वेग क्षेत्र की गणना करने के लिए 3-डी क्रॉस-सहसंबंध एल्गोरिदम का उपयोग करके तीव्रता क्षेत्रों की एक जोड़ी का विश्लेषण किया जाता है। तकनीक मूल रूप से विकसित की गई थी एल्सिंगा एट अल द्वारा। 2006 में।

पुनर्निर्माण प्रक्रिया एक जटिल अल्प-निर्धारित व्युत्क्रम समस्या है। प्राथमिक जटिलता यह है कि दृश्यों का एक सेट बड़ी संख्या में 3-डी वॉल्यूम का परिणाम हो सकता है। दृश्यों के एक सेट से अद्वितीय मात्रा को ठीक से निर्धारित करने की प्रक्रियाएं टोमोग्राफी के क्षेत्र की नींव हैं। अधिकांश टोमो-पीआईवी प्रयोगों में, गुणक बीजगणितीय पुनर्निर्माण तकनीक (मार्ट) का उपयोग किया जाता है। इस पिक्सेल-दर-पिक्सेल पुनर्निर्माण तकनीक का लाभ यह है कि यह व्यक्तिगत कणों की पहचान करने की आवश्यकता से बचाती है। विवेकाधीन 3-डी तीव्रता क्षेत्र का पुनर्निर्माण कम्प्यूटेशनल रूप से गहन है और, मार्ट से परे, कई विकासों ने इस कम्प्यूटेशनल व्यय को काफी कम करने की मांग की है, उदाहरण के लिए मल्टीपल लाइन-ऑफ़-विज़न एक साथ गुणक बीजगणितीय पुनर्निर्माण तकनीक (एमएलओएस-स्मार्ट) जो मेमोरी भंडारण और गणना आवश्यकताओं को कम करने के लिए 3-डी तीव्रता क्षेत्र की विरलता का लाभ उठाता है।

एक नियम के रूप में, स्वीकार्य पुनर्निर्माण सटीकता के लिए कम से कम चार कैमरों की आवश्यकता होती है, और सर्वोत्तम परिणाम तब प्राप्त होते हैं जब कैमरों को माप मात्रा के लगभग 30 डिग्री सामान्य पर रखा जाता है।एक सफल प्रयोग के लिए कई अतिरिक्त कारकों पर विचार करना आवश्यक है।

टोमो-पीआईवी को प्रवाह की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू किया गया है। उदाहरणों में अशांत सीमा परत/शॉक वेव इंटरैक्शन की संरचना शामिल है, सिलेंडर वेक की भंवरता या पिचिंग एयरफ़ॉइल, रॉड-एयरफ़ॉइल एयरोकॉस्टिक प्रयोग, और छोटे पैमाने पर, सूक्ष्म प्रवाह को मापने के लिए। हाल ही में, शिकारी-शिकार की बातचीत को समझने के लिए 3-डी कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री के साथ टोमो-पीआईवी का उपयोग किया गया है, और टोमो-पीआईवी के पोर्टेबल संस्करण का उपयोग अंटार्कटिका में अद्वितीय तैराकी जीवों का अध्ययन करने के लिए किया गया है।

थर्मोग्राफिक पीआईवी

थर्मोग्राफिक पीआईवी बीजारोपण कणों के रूप में थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस के उपयोग पर आधारित है। इन थर्मोग्राफिक फॉस्फोर का उपयोग प्रवाह में वेग और तापमान को एक साथ मापने की अनुमति देता है।

थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस में दुर्लभ-पृथ्वी या संक्रमण धातु आयनों के साथ डोप किए गए सिरेमिक होस्ट सामग्री शामिल होती है, जो यूवी-प्रकाश से प्रकाशित होने पर फॉस्फोरेसेंस प्रदर्शित करती है। इस स्फुरदीप्ति का क्षय समय और स्पेक्ट्रा तापमान के प्रति संवेदनशील हैं और तापमान मापने के लिए दो अलग-अलग तरीके प्रदान करते हैं। क्षय समय विधि में स्फुरदीप्ति क्षय को एक घातीय फ़ंक्शन में फिट करना शामिल है और आमतौर पर बिंदु माप में उपयोग किया जाता है, हालांकि इसे सतह माप में प्रदर्शित किया गया है। फॉस्फोरेसेंस उत्सर्जन की दो अलग-अलग वर्णक्रमीय रेखाओं के बीच तीव्रता अनुपात, जिसे वर्णक्रमीय फिल्टर का उपयोग करके ट्रैक किया जाता है, भी तापमान पर निर्भर है और सतह माप के लिए नियोजित किया जा सकता है।

थर्मोग्राफिक पीआईवी में उपयोग किए जाने वाले माइक्रोमीटर आकार के फॉस्फोर कणों को एक ट्रेसर के रूप में प्रवाह में डाला जाता है और, एक पतली लेजर लाइट शीट के साथ रोशनी के बाद, कणों का तापमान फॉस्फोरेसेंस से मापा जा सकता है, आमतौर पर एक तीव्रता अनुपात तकनीक का उपयोग करके। यह महत्वपूर्ण है कि कण छोटे आकार के हों ताकि वे न केवल प्रवाह का संतोषजनक ढंग से पालन करें बल्कि तेजी से उसका तापमान भी ग्रहण कर सकें। 2 µm के व्यास के लिए, कण और गैस के बीच थर्मल स्लिप वेग स्लिप जितनी छोटी होती है।

फॉस्फोर की रोशनी यूवी प्रकाश का उपयोग करके प्राप्त की जाती है। अधिकांश थर्मोग्राफिक फॉस्फोर यूवी में एक व्यापक बैंड में प्रकाश को अवशोषित करते हैं और इसलिए YAG:Nd लेजर का उपयोग करके उत्तेजित किया जा सकता है। सैद्धांतिक रूप से, एक ही प्रकाश का उपयोग पीआईवी और तापमान माप दोनों के लिए किया जा सकता है, लेकिन इसका मतलब यह होगा कि यूवी-संवेदनशील कैमरों की आवश्यकता है। व्यवहार में, अलग-अलग लेज़रों में उत्पन्न दो अलग-अलग बीम ओवरलैप होते हैं। जहां एक बीम का उपयोग वेग मापने के लिए किया जाता है, वहीं दूसरे का उपयोग तापमान मापने के लिए किया जाता है।

थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस का उपयोग प्रतिक्रियाशील और उच्च तापमान वाले वातावरण में जीवित रहने की क्षमता, रासायनिक स्थिरता और दबाव और गैस संरचना के प्रति उनके फॉस्फोरेसेंस उत्सर्जन की असंवेदनशीलता सहित कुछ लाभप्रद विशेषताएं प्रदान करता है। इसके अलावा, थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जिससे उत्तेजना प्रकाश और पृष्ठभूमि के खिलाफ वर्णक्रमीय भेदभाव की अनुमति मिलती है।

औसत समय के लिए थर्मोग्राफिक पीआईवी का प्रदर्शन किया गया है और एकल शॉट माप. हाल ही में, समय-समाधान उच्च गति (3 किलोहर्ट्ज़) माप भी सफलतापूर्वक निष्पादित किया गया है।

आर्टिफिशियल इंटेलिजेंस पीआईवी

कृत्रिम बुद्धिमत्ता के विकास के साथ, गहन शिक्षण और दृढ़ तंत्रिका नेटवर्क के आधार पर पीआईवी गणना का प्रस्ताव देने वाले वैज्ञानिक प्रकाशन और वाणिज्यिक सॉफ्टवेयर सामने आए हैं। उपयोग की जाने वाली कार्यप्रणाली मुख्य रूप से मशीन विज़न में लोकप्रिय ऑप्टिकल फ्लो न्यूरल नेटवर्क से उत्पन्न होती है। नेटवर्क के मापदंडों को प्रशिक्षित करने के लिए एक डेटा सेट तैयार किया जाता है जिसमें कण छवियां शामिल होती हैं। परिणाम पीआईवी के लिए एक गहरा तंत्रिका नेटवर्क है जो रिकॉर्ड की गई छवियों की अनुमति होने पर एक पिक्सेल के लिए अधिकतम एक वेक्टर तक सघन गति का अनुमान प्रदान कर सकता है। एआई पीआईवी एक घने वेग क्षेत्र का वादा करता है, जो पूछताछ विंडो के आकार तक सीमित नहीं है, जो पारंपरिक पीआईवी को प्रति 16 x 16 पिक्सल में एक वेक्टर तक सीमित करता है।

पीआईवी का वास्तविक समय प्रसंस्करण और अनुप्रयोग

डिजिटल प्रौद्योगिकियों की प्रगति के साथ, पीआईवी का वास्तविक समय प्रसंस्करण और अनुप्रयोग संभव हो गया। उदाहरण के लिए, जीपीयू का उपयोग एकल पूछताछ विंडो के फूरियर रूपांतरण आधारित सहसंबंधों को काफी हद तक तेज करने के लिए किया जा सकता है। इसी प्रकार कई सीपीयू या मल्टी-कोर सीपीयू पर मल्टी-प्रोसेसिंग, समानांतर या मल्टी-थ्रेडिंग प्रक्रियाएं कई पूछताछ विंडो या एकाधिक छवियों के वितरित प्रसंस्करण के लिए फायदेमंद होती हैं। कुछ एप्लिकेशन वास्तविक समय छवि प्रसंस्करण विधियों का उपयोग करते हैं, जैसे एफपीजीए आधारित ऑन-द-फ्लाई छवि संपीड़न या छवि प्रसंस्करण। हाल ही में, प्रवाह आधारित फीडबैक के साथ सक्रिय प्रवाह नियंत्रण में भविष्य में उपयोग के लिए पीआईवी वास्तविक समय माप और प्रसंस्करण क्षमताओं को लागू किया गया है।

अनुप्रयोग

पीआईवी को प्रवाह समस्याओं की एक विस्तृत श्रृंखला पर लागू किया गया है, जो पवन सुरंग में विमान के पंख पर प्रवाह से लेकर कृत्रिम हृदय वाल्वों में भंवर गठन तक भिन्न है। अशांत प्रवाह और जेट का विश्लेषण करने के लिए 3-आयामी तकनीकों की मांग की गई है।

क्रॉस-सहसंबंध पर आधारित अल्पविकसित पीआईवी एल्गोरिदम को कुछ ही घंटों में लागू किया जा सकता है, जबकि अधिक परिष्कृत एल्गोरिदम को समय के महत्वपूर्ण निवेश की आवश्यकता हो सकती है। कई खुले स्रोत कार्यान्वयन उपलब्ध हैं। औद्योगिक अनुसंधान ग्रेड पीआईवी प्रणालियों की उच्च कीमत और सुरक्षा चिंताओं के कारण अमेरिकी शिक्षा प्रणाली में पीआईवी का अनुप्रयोग सीमित कर दिया गया है।

दानेदार पीआईवी: दानेदार प्रवाह और हिमस्खलन में वेग माप

पीआईवी का उपयोग दानेदार प्रवाह जैसे कि हिले हुए कंटेनरों में मुक्त सतह और बेसल सीमा के वेग क्षेत्र को मापने के लिए भी किया जा सकता है, गिलास और हिमस्खलन. यह विश्लेषण विशेष रूप से गैर-पारदर्शी मीडिया जैसे रेत, बजरी, क्वार्ट्ज, या अन्य दानेदार सामग्री के लिए उपयुक्त है जो भूभौतिकी में आम हैं। इस PIV दृष्टिकोण को "ग्रैनुलर PIV" कहा जाता है। दानेदार पीआईवी के लिए सेट-अप सामान्य पीआईवी सेटअप से भिन्न होता है जिसमें ऑप्टिकल सतह संरचना जो कि दानेदार प्रवाह की सतह की रोशनी से उत्पन्न होती है, गति का पता लगाने के लिए पहले से ही पर्याप्त है। इसका मतलब है कि किसी को थोक सामग्री में ट्रेसर कण जोड़ने की आवश्यकता नहीं है।

यह भी देखें

• डिजिटल छवि सहसंबंध
• हॉट-वायर एनीमोमेट्री
• लेजर डॉपलर वेलोसिमेट्री
• आणविक टैगिंग वेलोसिमेट्री
• कण ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री

ग्रन्थसूची

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संदर्भ

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बाहरी संबंध

Test and Measurement at Curlie

PIV research at the Laboratory for Experimental Fluid Dynamics (J. Katz lab)