पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री

पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (पीआईवी) शिक्षा में उपयोग की जाने वाली प्रवाह दृश्यता की 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 पार्टिकल (पारिस्थितिकी) के साथ बीजारोपण (द्रव गतिशीलता) कर रहा है, जो पर्याप्त रूप से छोटे पार्टिकलों के लिए, द्रव गतिशीलता गतिशीलता (यांत्रिकी) का ईमानदारी से पालन करने के लिए माना जाता है (पार्टिकल जिस सीमा तक प्रवाह का ईमानदारी से पालन करते हैं उसे स्टोक्स द्वारा दर्शाया जाता है) संख्या)। फंसे हुए पार्टिकलों वाले तरल पदार्थ को प्रकाशित किया जाता है जिससे कि पार्टिकल दिखाई दे सकें। बीजारोपण पार्टिकलों की गति का उपयोग अध्ययन किए जा रहे प्रवाह की गति और दिशा (सदिश क्षेत्र) की गणना करने के लिए किया जाता है।

प्रवाह को मापने के लिए उपयोग की जाने वाली अन्य विधि ें लेज़र डॉपलर वेलोसिमेट्री और हॉट-वायर एनेमोमेट्री हैं। पीआईवी और उन विधियों के मध्य मुख्य अंतर यह है कि पीआईवी द्वि-आयामी या त्रि-आयामी सदिश फ़ील्ड उत्पन्न करता है, जबकि अन्य विधि बिंदु पर वेग को मापती हैं। पीआईवी के समय, पार्टिकल सांद्रता ऐसी होती है कि इमेज में व्यक्तिगत पार्टिकलों की पहचान करना संभव है, किन्तु इमेजयों के मध्य इसे ट्रैक करना निश्चित रूप से नहीं होता है। जब पार्टिकल सांद्रता इतनी कम होती है कि व्यक्तिगत पार्टिकल का अनुसरण करना संभव होता है तब इसे पार्टिकल ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री कहा जाता है, जबकि लेजर स्पेकल वेलोसिमेट्री का उपयोग उन स्थितियोंके लिए किया जाता है जहां पार्टिकल एकाग्रता इतनी अधिक होती है कि इमेज में व्यक्तिगत पार्टिकलों का निरीक्षण करना कठिनाई होता है।

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

इतिहास

पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री (पीआईवी) गैर-अंतर्वेधी ऑप्टिकल प्रवाह माप विधि 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 प्रारंभ की थी।

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

सत्र 1960 के दशक में लेज़रों के आगमन ने प्रवाह दृश्य और माप के क्षेत्र में क्रांति ला दी। लेजर ने 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। सत्र 1960 के दशक के अंत और सत्र 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 प्रारंभ में वायु प्रवाह का अध्ययन करने और हवा के वेग को मापने के लिए किया गया था, किन्तु इसका अनुप्रयोग जल्द ही द्रव गतिशीलता के अन्य क्षेत्रों में भी फैल गया।

प्रारंभिक पीआईवी समूहअप अपेक्षाकृत सरल थे और इमेज रिकॉर्डिंग माध्यम के रूप में फोटोग्राफिक फिल्म का उपयोग किया जाता था। प्रवाह में जोड़े गए तेल की बूंदों या धुएं जैसे पार्टिकलों को रोशन करने के लिए लेजर का उपयोग किया गया था, और परिणामी पार्टिकल 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, किन्तु उन्होंने द्रव प्रवाह व्यवहार में मूल्यवान अंतर्दृष्टि प्रदान की है।

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

अगले दशकों में, पीआईवी अनेक प्रमुख क्षेत्रों में विकसित और आगे बढ़ता रहा। 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 (अधिकांशतः स्टीरियो पीआईवी या स्टीरियो-पीआईवी के रूप में जाना जाता है) ज्ञात समय विलंब के साथ लगातार दो इमेजयों को कैप्चर करने के लिए दो कैमरों का उपयोग करता है, जिससे 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 समष्टि प्रवाह के अध्ययन को सक्षम बनाया है।

पीआईवी में और प्रमुख प्रगति इमेज विश्लेषण के लिए डिजिटल सहसंबंध एल्गोरिदम का विकास था। इन एल्गोरिदम ने पीआईवी इमेजयों के अधिक त्रुटिहीन 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 प्राप्त की, इसे दहन, समुद्र विज्ञान, बायोफ्लुइड्स और सूक्ष्म प्रवाह सहित वायुगतिकी से परे अनेक 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 मध्य समष्टि 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 प्रयुक्त 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 विधियों को प्रयुक्त करना चुनौतीपूर्ण है। माइक्रो-पीआईवी का उपयोग लैब-ऑन-ए-चिप प्रणाली 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 इमेज विश्लेषण विधियों के विकास से भी प्रेरित हुई है। लेजर विधि में प्रगति के कारण एनडी:वाईएजी लेजर और डायोड लेजर जैसे उच्च-शक्ति वाले लेजर का उपयोग प्रारंभ 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। उत्तम 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 अतिरिक्त, पीआईवी माप की त्रुटिहीनता और दक्षता को बढ़ाने के लिए उन्नत इमेज विश्लेषण विधि , जैसे सहसंबंध-आधारित एल्गोरिदम, चरण-आधारित तरीके और मशीन लर्निंग एल्गोरिदम विकसित किए गए हैं।

विधि प्रगति के अतिरिक्त, पीआईवी को अधिक व्यापक और बहु-पैरामीटर प्रवाह माप प्रदान करने के लिए अन्य माप विधियों, 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 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 प्राप्त करने में सक्षम बनाया है और विभिन्न वैज्ञानिक और इंजीनियरिंग क्षेत्रों में नई खोजों और प्रगति को जन्म दिया है।

हाल के वर्षों में, पीआईवी का उपयोग नए और उभरते क्षेत्रों में भी किया गया है, जैसे कि सूक्ष्म और नैनोस्केल प्रवाह, ग्रैनुलर 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 ग्रैनुलर प्रवाह में पार्टिकलों की गति का अध्ययन करने और बहुचरण प्रवाह, जैसे बुलबुले प्रवाह और तेल-पानी प्रवाह की जांच करने के लिए भी प्रयुक्त 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-त्रुटिहीन 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 गुणवत्ता को प्रभावित करते हैं।

हाल के वर्षों में, पीआईवी ने उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं, जैसे कि एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग, में भी आवेदन पाया है, जहां उच्च-गुणवत्ता और उच्च-त्रुटिहीन 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, इमेज विश्लेषण एल्गोरिदम में प्रगति और अन्य माप विधियों के साथ एकीकरण सहित पीआईवी विधियों का निरंतर विकास, इसकी क्षमताओं को और बढ़ाएगा और इसके अनुप्रयोगों को व्यापक बनाएगा है।

पीआईवी का ऐतिहासिक विकास विज्ञान और इंजीनियरिंग के विभिन्न क्षेत्रों में त्रुटिहीन और गैर-अंतर्वेधी प्रवाह माप की आवश्यकता से प्रेरित है। पीआईवी के प्रारंभिक वर्षों को मूलभूतपीआईवी विधियों 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 समूहिंग्स में। जैसे ही पीआईवी ने लोकप्रियता प्राप्त की, शोधकर्ताओं ने इसे वायुगतिकी, दहन और समुद्र विज्ञान जैसे अधिक व्यावहारिक अनुप्रयोगों में उपयोग करना प्रारंभ कर दिया है।

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

सत्र 2000 और उसके पश्चात्, उच्च-शक्ति लेजर, उच्च गति वाले कैमरे और उन्नत इमेज 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 विधियों, जैसे तापमान और एकाग्रता माप, के साथ भी एकीकृत किया गया है और इसका उपयोग उभरते क्षेत्रों, जैसे कि सूक्ष्म और नैनोस्केल प्रवाह, ग्रैनुलर प्रवाह और योजक विनिर्माण में किया गया है।

पीआईवी का ऐतिहासिक विकास विज्ञान और इंजीनियरिंग के विभिन्न क्षेत्रों में अनेक अनुप्रयोगों के साथ हुआ है। वायुगतिकी में, पीआईवी 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, पीआईवी 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 मध्य समष्टि 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 प्रयुक्त किया गया है, जो शारीरिक प्रक्रियाओं और रोग तंत्र को समझने के लिए महत्वपूर्ण जानकारी प्रदान करता है।

पीआईवी 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, पीआईवी 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 पार्टिकल

दहन में पीआईवी का अनुप्रयोग

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

पार्टिकल सामान्यतः 10 से 100 माइक्रोमीटर के क्रम में व्यास के होते हैं। आकार के लिए, पार्टिकल इतने छोटे होने चाहिए कि द्रव की गति के लिए पार्टिकलों की विलंबता (इंजीनियरिंग) प्रवाह का त्रुटिहीन रूप से पालन करने के लिए अधिक कम हो, फिर भी घटना लेजर प्रकाश की महत्वपूर्ण मात्रा को बिखेरने के लिए पर्याप्त बड़ी हो। दहन से जुड़े कुछ प्रयोगों के लिए, आग की लपटों पर अक्रिय पार्टिकलों के शमन प्रभाव से बचने के लिए, बीजक पार्टिकलों का आकार 1 माइक्रोमीटर के क्रम में छोटा हो सकता है। पार्टिकलों के छोटे आकार के कारण, पार्टिकलों की गति स्टोक्स के नियम पर हावी होती है और स्थिरीकरण या वृद्धि को प्रभावित करती है। ऐसे मॉडल में जहां पार्टिकलों को बहुत कम रेनॉल्ड्स संख्या पर गोलाकार (सूक्ष्ममंडल) के रूप में तैयार किया जाता है, द्रव के प्रवाह का अनुसरण करने की पार्टिकलों की क्षमता पार्टिकलों और तरल पदार्थ के मध्य घनत्व में अंतर के व्युत्क्रमानुपाती होती है, और उनके व्यास के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती भी होती है। पार्टिकलों से प्रकीर्णित प्रकाश माई प्रकीर्णन पर हावी होता है और यह पार्टिकलों के व्यास के वर्ग के समानुपाती भी होता है। इस प्रकार लेजर शीट विमान के अंदर सभी पार्टिकलों को त्रुटिहीन रूप से प्रवाहित करने के लिए पर्याप्त प्रकाश बिखेरने के लिए पार्टिकल आकार को संतुलित करने की आवश्यकता होती है, किन्तु प्रवाह का त्रुटिहीन 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 अनेक तस्वीरें खींचने में कैमरों की असमर्थता के कारण, दोनों एक्सपोज़र को 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। चूँकि, स्वतःसहसंबंध के परिणामस्वरूप प्रवाह की दिशा अस्पष्ट हो जाती है, क्योंकि यह स्पष्ट नहीं है कि कौन से पार्टिकल 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 मध्य कुछ सौ एनएस अंतर के साथ उच्च गति पर दो फ्रेम कैप्चर कर सकते हैं। इसने अधिक त्रुटिहीन क्रॉस-सहसंबंध विश्लेषण के लिए प्रत्येक एक्सपोज़र को अपने स्वयं के फ्रेम पर भिन्न 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 जोड़ी शॉट ही ले सकते हैं। हाई स्पीड सीसीडी या सीएमओएस कैमरे उपलब्ध हैं किन्तु वे बहुत अधिक बहुमूल्य हैं।

पराबैंगनीकिरण और प्रकाशिकी

मैक्रो पीआईवी समूहअप 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, सामान्यतः पीआईवी समूहअप 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 सामान्यतः 532 एनएम हार्मोनिक्स को भिन्न करने के लिए बंदपास छननी होता है (यह है) हरा प्रकाश, नग्न आंखों से देखा जा सकने वाला एकमात्र हार्मोनिक)। लेजर लाइट को प्रायोगिक समूहअप तक निर्देशित करने के लिए फाइबर ऑप्टिक केबल या लिक्विड लाइट गाइड का उपयोग किया जा सकता है।

प्रकाशिकी में गोलाकार लेंस और बेलनाकार लेंस संयोजन होता है। बेलनाकार लेंस लेज़र को समतल में फैलाता है जबकि गोलाकार लेंस समतल को पतली शीट में संपीड़ित करता है। यह महत्वपूर्ण है क्योंकि पीआईवी विधि सामान्यतः 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 समूहअप (गोलाकार लेंस का केंद्र बिंदु) से सीमित दूरी पर होती है। प्रयोग के विश्लेषण क्षेत्र को स्थापित करने के लिए यह आदर्श स्थान है।

जांच क्षेत्र के अंदर पार्टिकलों 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 प्रणाली का उपयोग अतीत में किया गया है, आज उपयोग में आने वाले अधिकांश प्रणाली 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 अंदर निर्देशित कर सकता है। इस प्रकार लेजर के प्रत्येक पल्स और कैमरे के समय के संदर्भ में लेजर शॉट के प्लेसमेंट के मध्य के समय को त्रुटिहीन 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 अनेक एमएस तक के वेरिएबल रिज़ॉल्यूशन टाइमिंग की प्रस्तुति करते हैं। सिंक्रनाइज़ टाइमिंग के आठ चैनलों के साथ, वे अनेक फ्लैश लैंप और क्यू-स्विच को नियंत्रित करने के साथ-साथ अनेक कैमरा एक्सपोज़र प्रदान करने के साधन प्रदान करते हैं।

विश्लेषण

पीआईवी-एक भंवर जोड़ी का विश्लेषण। ऊपरी बाईं ओर का आवर्धन स्थानिक रिज़ॉल्यूशन में वृद्धि को दर्शाता है जिसे आधुनिक मल्टी-पास विंडो विरूपण विधि 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 विधियों की सहायता से प्रत्येक विंडो के लिए विस्थापन (सदिश) सदिश (ज्यामितीय) की गणना करना संभव है। इसे लेजर शॉट्स और कैमरे पर प्रत्येक पिक्सेल के भौतिक आकार के मध्य के समय का उपयोग करके वेग में परिवर्तित किया जाता है। पूछताछ विंडो का आकार औसतन प्रति विंडो कम से कम 6 पार्टिकल रखने के लिए चुना जाना चाहिए। पीआईवी विश्लेषण का दृश्य उदाहरण यहां देखा जा सकता है।

सिंक्रोनाइज़र इमेज एक्सपोज़र के मध्य के समय को नियंत्रित करता है और प्रवाह के साथ विभिन्न समय पर इमेज जोड़े प्राप्त करने की अनुमति भी देता है। त्रुटिहीन पीआईवी विश्लेषण के लिए, यह आदर्श है कि प्रवाह का वह क्षेत्र जो रुचि का है, लगभग 8 पिक्सेल का औसत पार्टिकल विस्थापन प्रदर्शित करना चाहिए। यह लंबे समय के अंतर के मध्य समझौता है जो पार्टिकलों को फ्रेम के मध्य 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 अंदर किसी भी विस्थापन की पहचान करना अत्यधिक कठिन हो सकता है।

प्रत्येक पार्टिकल से बिखरी हुई रोशनी इमेज पर 2 से 4 पिक्सेल के क्षेत्र में होनी चाहिए। यदि बहुत बड़ा क्षेत्र रिकॉर्ड किया जाता है, तब पार्टिकल इमेज का आकार गिर जाता है और उप पिक्सेल परिशुद्धता के हानि के साथ पीक लॉकिंग हो सकती है। पीक लॉकिंग प्रभाव को दूर करने के तरीके उपस्तिथ हैं, किन्तु उन्हें कुछ अतिरिक्त काम की आवश्यकता होती है।

रुकी हुई फ्लैट प्लेट का पीआईवी विश्लेषण, कतरनी दर आरोपित

यदि घर में पीआईवी विशेषज्ञता है और प्रणाली विकसित करने के लिए समय है, यदि यह साधारण न हो, कस्टम पीआईवी प्रणाली बनाना संभव है। चूँकि, अनुसंधान ग्रेड पीआईवी प्रणाली 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 पीआईवी विश्लेषण का उदाहरण [1]

पीआईवी डिजिटल इमेज सहसंबंध से निकटता से संबंधित है, ऑप्टिकल विस्थापन माप विधि जो ठोस सामग्रियों के विरूपण का अध्ययन करने के लिए सहसंबंध विधियों का उपयोग करती है।

पेशे/हानि

फायदे

यह विधि, अधिक सीमा तक, गैर-दखल देने वाली है। जोड़े गए ट्रेसर (यदि उन्हें ठीक से चुना गया है) सामान्यतः द्रव प्रवाह में नगण्य विकृति उत्पन्न करते हैं।

ऑप्टिकल माप पायलट ट्यूब , हॉटवायर एनिमोमीटर या अन्य अंतर्वेधी प्रवाह माप जांच की आवश्यकता से बचाता है। यह विधि प्रवाह क्षेत्र के संपूर्ण द्वि-आयामी क्रॉस सेक्शन (ज्यामिति) को साथ मापने में सक्षम है।

उच्च गति डाटा प्रासेसिंग बड़ी संख्या में इमेज जोड़े की पीढ़ी की अनुमति देती है, जिसका व्यक्तिगत कंप्यूटर पर वास्तविक समय कंप्यूटिंग में या पश्चात् 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 त्रुटिहीनता की अनुमति देते हैं, क्योंकि प्रत्येक सदिश विशेष टाइल के अंदर अनेक पार्टिकलों के लिए सांख्यिकीय औसत है। विस्थापन सामान्यतः इमेज तल पर पिक्सेल के 10% तक त्रुटिहीन हो सकता है।

कमियाँ

कुछ स्थितियोंमें, पार्टिकल 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, तब पानी के समान घनत्व वाले बहुत सस्ते पार्टिकलों (उदाहरण के लिए ~ 60 माइक्रोमीटर व्यास वाला प्लास्टिक पाउडर) को ढूंढना आसानी से संभव है। यदि घनत्व अभी भी फिट नहीं होता है, तब 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।

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

चूंकि परिणामी वेग सदिश 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 त्रुटिहीनता के लिए परिणाम है जो अधिकांशतः पीआईवी वेग क्षेत्रों से प्राप्त होते हैं।

अनुसंधान में उपयोग किए जाने वाले पीआईवी प्रणाली अधिकांशतः लेजर सुरक्षा और उच्च-रिज़ॉल्यूशन, उच्च गति वाले कैमरों का उपयोग करते हैं, जो निवेश और सुरक्षा बाधाएं लाते हैं।

अधिक समष्टि पीआईवी समूहअप

त्रिविम पीआईवी

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

मौलिक द्रव यांत्रिकी में, एक्स, वाई और जेड दिशाओं में इकाई समय के अंदर विस्थापन को सामान्यतः 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. चूँकि, इस जानकारी से वेग ग्रेडिएंट टेंसर के अन्य 5 पद नहीं मिल पा रहे हैं। त्रिविम पीआईवी विश्लेषण उस तल के अंदर Z-अक्ष विस्थापन घटक, W भी प्रदान करता है। यह न केवल रुचि के तल पर द्रव का Z-अक्ष वेग प्रदान करता है, किंतु 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 पीआईवी

यह पहले वाले से सीधे ऑफसमूह 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 दूसरे के संबंध में ऑर्थोगोनल रूप से ध्रुवीकृत किया जाता है। इसके पश्चात्, उन्हें प्रकाशिकी के समूह के माध्यम से प्रेषित किया जाता है और दो विमानों में से को 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 पर ध्यान केंद्रित करती है। चार कैमरों में से प्रत्येक में 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 ऐसी प्रणाली बनाता है जिसके द्वारा दो भिन्न-भिन्न स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी विश्लेषण समूहअप साथ चलाए जाते हैं, जिसमें रुचि के विमानों के मध्य केवल न्यूनतम पृथक्करण दूरी होती है।

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

मल्टी-प्लेन स्टीरियोस्कोपिक पीआईवी

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

माइक्रो पीआईवी

एपिफ्लोरेसेंट माइक्रोस्कोप के उपयोग से सूक्ष्म प्रवाह का विश्लेषण किया जा सकता है। माइक्रोपीआईवी फ्लोरेसिंग पार्टिकलों का उपयोग करता है जो विशिष्ट तरंग दैर्ध्य पर उत्तेजित होते हैं और दूसरे तरंग दैर्ध्य पर उत्सर्जित होते हैं। लेजर प्रकाश डाइक्रोइक दर्पण के माध्यम से परिलक्षित होता है, उद्देश्य लेंस के माध्यम से यात्रा करता है जो रुचि के बिंदु पर ध्यान केंद्रित करता है, और क्षेत्रीय मात्रा को रोशन करता है। पार्टिकलों से उत्सर्जन, परावर्तित लेजर प्रकाश के साथ, उद्देश्य, डाइक्रोइक दर्पण और उत्सर्जन फिल्टर के माध्यम से वापस चमकता है जो लेजर प्रकाश को अवरुद्ध करता है। जहां पीआईवी अपने 2-आयामी विश्लेषण गुणों को लेजर शीट की समतल प्रकृति से प्राप्त करता है, वहीं माइक्रोपीआईवी समय में केवल विमान पर ध्यान केंद्रित करने के लिए ऑब्जेक्टिव लेंस की क्षमता का उपयोग करता है, इस प्रकार देखने योग्य पार्टिकलों का 2-आयामी विमान बनाता है। माइक्रोपीआईवी पार्टिकल अनेक सौ एनएम व्यास के होते हैं, जिसका अर्थ है कि वे ब्राउनियन गति के प्रति अत्यधिक संवेदनशील होते हैं। इस प्रकार, इस विधि के लिए विशेष समूह औसत विश्लेषण विधि का उपयोग किया जाना चाहिए। वास्तविक वेग क्षेत्र को निर्धारित करने के लिए मूलभूतपीआईवी विश्लेषणों की श्रृंखला के क्रॉस-सहसंबंध को साथ औसत किया जाता है। इस प्रकार, केवल स्थिर प्रवाह की ही जांच की जा सकती है। विशेष प्रीप्रोसेसिंग विधियों का भी उपयोग किया जाना चाहिए क्योंकि इमेजयों में पृष्ठभूमि ध्वनि और कम सिग्नल-ध्वनि अनुपात से शून्य-विस्थापन पूर्वाग्रह होता है। सामान्यतः, 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 पीआईवी

होलोग्राफिक पीआईवी (एचपीआईवी) में विभिन्न प्रकार की प्रयोगात्मक विधि सम्मिलित हैं जो सेंसर विमान पर बिखरे हुए प्रकाश घटना के आयाम और चरण की जानकारी को एन्कोड करने के लिए पार्टिकल और 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 विधियों का उपयोग करके तीव्रता क्षेत्र से पूछताछ की जाती है।

ऑफ-एक्सिस Hपीआईवी ऑब्जेक्ट और संदर्भ तरंगें प्रदान करने के लिए भिन्न-भिन्न बीम का उपयोग करता है। इस समूहअप का उपयोग बिखरने वाले माध्यम के अंदर दो तरंगों के हस्तक्षेप से उत्पन्न होने वाले धब्बेदार ध्वनि से बचने के लिए किया जाता है, जो तब होता है जब वे दोनों माध्यम के माध्यम से प्रसारित होते हैं। ऑफ-एक्सिस प्रयोग अत्यधिक समष्टि ऑप्टिकल प्रणाली है जिसमें अनेक ऑप्टिकल तत्व सम्मिलित होते हैं, और पाठक को शेंग एट अल में उदाहरण योजनाबद्ध के रूप में संदर्भित किया जाता है। अधिक संपूर्ण प्रस्तुति के लिए।

इन-लाइन होलोग्राफी और दृष्टिकोण है जो पार्टिकल इमेजिंग के लिए कुछ अद्वितीय लाभ प्रदान करता है। संभवतः 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 प्रणाली का ऑप्टिकल समूहअप बहुत सरल होता है क्योंकि अवशिष्ट प्रकाश को भिन्न करने और किसी भिन्न 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 भिन्न वर्ग बनता है जिसे डिजिटल इन-लाइन होलोग्राफी के रूप में जाना जाता है। ऐसे समूहअप की समष्टिता ऑप्टिकल समूहअप से इमेज पोस्ट-प्रोसेसिंग में बदल जाती है, जिसमें सिम्युलेटेड रेफरेंस बीम का उपयोग सम्मिलित होता है। इन विषयों पर आगे की चर्चा इस लेख के सीमा से परे है और इसका इलाज अरोयो और हिन्श में किया गया है

विभिन्न प्रकार के मुद्दे Hपीआईवी परिणामों की गुणवत्ता को ख़राब करते हैं। विवादों की पहली श्रेणी में पुनर्निर्माण ही सम्मिलित है। होलोग्राफी में, किसी पार्टिकल की वस्तु तरंग को सामान्यतः गोलाकार माना जाता है; चूँकि, माई स्कैटरिंग सिद्धांत के कारण, यह तरंग समष्टि आकार है जो पुनर्निर्मित पार्टिकल को ​​विकृत कर सकती है। अन्य उद्देश्य पर्याप्त धब्बेदार ध्वनि की उपस्थिति है जो पार्टिकल इमेजयों के समग्र सिग्नल-टू-ध्वनि अनुपात को कम करता है। यह प्रभाव इन-लाइन होलोग्राफिक प्रणाली के लिए अधिक चिंता का विषय है क्योंकि संदर्भ किरण बिखरे हुए ऑब्जेक्ट बीम के साथ वॉल्यूम के माध्यम से प्रसारित होती है। ध्वनि को बिखरने वाले माध्यम में अशुद्धियों के माध्यम से भी प्रस्तुतकिया जा सकता है, जैसे तापमान भिन्नता और खिड़की की खराबी। क्योंकि होलोग्राफी के लिए सुसंगत इमेजिंग की आवश्यकता होती है, यह प्रभाव पारंपरिक इमेजिंग स्थितियों की तुलना में बहुत अधिक गंभीर होते हैं। इन कारकों के संयोजन से सहसंबंध प्रक्रिया की समष्टिता बढ़ जाती है। विशेष रूप से, एचपीआईवी रिकॉर्डिंग में धब्बेदार ध्वनि अधिकांशतः पारंपरिक इमेज-आधारित सहसंबंध विधियों को उपयोग करने से रोकता है। इसके अतिरिक्त, एकल पार्टिकल पहचान और सहसंबंध प्रयुक्त किया जाता है, जो पार्टिकल संख्या घनत्व पर सीमा निर्धारित करता है। इन त्रुटि स्रोतों की अधिक व्यापक रूपरेखा मेंग एट अल में दी गई है।

इन विवादों के प्रकाश में, ऐसा लग सकता है कि एचपीआईवी प्रवाह माप के लिए उपयोग करने के लिए बहुत समष्टि और त्रुटि-प्रवण है। चूँकि, सभी होलोग्राफिक दृष्टिकोणों से अनेक प्रभावशाली परिणाम प्राप्त हुए हैं। स्विज़ेर और कोहेन

हेयरपिन भंवरों की भौतिकी का अध्ययन करने के लिए हाइब्रिड एचपीआईवी प्रणाली का उपयोग किया गया। अशांत सीमा परतों में अशांत कतरनी तनाव और वेग की निकट-दीवार माप करने के लिए होलोग्राफिक माइक्रोस्कोपी का उपयोग किया जाता है।

स्कैनिंग पीआईवी

एक घूमने वाले दर्पण, उच्च गति वाले कैमरे का उपयोग करके और ज्यामितीय परिवर्तनों को सही करके, पीआईवी को पूरे प्रवाह क्षेत्र में विमानों के समूह पर लगभग तुरंत निष्पादित किया जा सकता है। फिर तलों के मध्य 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 अंदर ट्रेसर पार्टिकलों की रोशनी, रिकॉर्डिंग और पुनर्निर्माण पर आधारित है। विधि प्रबुद्ध मात्रा के साथ दृश्यों को रिकॉर्ड करने के लिए अनेक कैमरों का उपयोग करती है, जिसे पश्चात् में विवेकाधीन 3-डी तीव्रता क्षेत्र प्राप्त करने के लिए पुनर्निर्मित किया जाता है। वॉल्यूम के अंदर 3-डी, 3-सी वेग क्षेत्र की गणना करने के लिए 3-डी क्रॉस-सहसंबंध एल्गोरिदम का उपयोग करके तीव्रता क्षेत्रों की जोड़ी का विश्लेषण किया जाता है। विधि मूल रूप से विकसित की गई थी

एल्सिंगा एट अल द्वारा। 2006 में है।

पुनर्निर्माण प्रक्रिया समष्टि अल्प-निर्धारित व्युत्क्रम समस्या है। प्राथमिक समष्टिता यह है कि दृश्यों का समूह बड़ी संख्या में 3-डी वॉल्यूम का परिणाम हो सकता है। दृश्यों के समूह से अद्वितीय मात्रा को ठीक से निर्धारित करने की प्रक्रियाएं टोमोग्राफी के क्षेत्र की नींव हैं। अधिकांश टोमो-पीआईवी प्रयोगों में, गुणक बीजगणितीय पुनर्निर्माण विधि (मार्ट) का उपयोग किया जाता है। इस पिक्सेल-दर-पिक्सेल पुनर्निर्माण विधि का लाभ यह है कि यह व्यक्तिगत पार्टिकलों की पहचान करने की आवश्यकता से बचाती है। विवेकाधीन 3-डी तीव्रता क्षेत्र का पुनर्निर्माण कम्प्यूटेशनल रूप से गहन है और, मार्ट से परे, अनेक विकासों ने इस कम्प्यूटेशनल व्यय को अधिक कम करने की मांग की है, उदाहरण के लिए मल्टीपल लाइन-ऑफ़-विज़न साथ गुणक बीजगणितीय पुनर्निर्माण विधि (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 त्रुटिहीनता 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 अनेक अतिरिक्त कारकों पर विचार करना आवश्यक है।

टोमो-पीआईवी को प्रवाह की विस्तृत श्रृंखला पर प्रयुक्त किया गया है। उदाहरणों में अशांत सीमा परत/शॉक वेव इंटरैक्शन की संरचना सम्मिलित 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 पार्टिकल 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 पार्टिकलों के रूप में थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस के उपयोग पर आधारित है। इन थर्मोग्राफिक फॉस्फोर का उपयोग प्रवाह में वेग और तापमान को साथ मापने की अनुमति देता है।

थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस में दुर्लभ-पृथ्वी या संक्रमण धातु आयनों के साथ डोप किए गए सिरेमिक होस्ट सामग्री सम्मिलित 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 भिन्न-भिन्न तरीके प्रदान करते हैं। क्षय समय विधि में स्फुरदीप्ति क्षय को घातीय वेरिएबल में फिट करना सम्मिलित है और सामान्यतः बिंदु माप में उपयोग किया जाता है, चूंकि इसे सतह माप में प्रदर्शित किया गया है। फॉस्फोरेसेंस उत्सर्जन की दो भिन्न-भिन्न वर्णक्रमीय रेखाओं के मध्य 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 पार्टिकलों को ट्रेसर के रूप में प्रवाह में डाला जाता है और, पतली लेजर लाइट शीट के साथ रोशनी के पश्चात्, पार्टिकलों का तापमान फॉस्फोरेसेंस से मापा जा सकता है, सामान्यतः तीव्रता अनुपात विधि का उपयोग करके। यह महत्वपूर्ण है कि पार्टिकल छोटे आकार के हों जिससे कि वे न केवल प्रवाह का संतोषजनक ढंग से पालन करें किंतु तेजी से उसका तापमान भी ग्रहण कर सकें। 2 µm के व्यास के लिए, पार्टिकल और गैस के मध्य 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 व्यापक बैंड में प्रकाश को अवशोषित करते हैं और इसलिए YAG:Nd लेजर का उपयोग करके उत्तेजित किया जा सकता है। सैद्धांतिक रूप से, ही प्रकाश का उपयोग पीआईवी और तापमान माप दोनों के लिए किया जा सकता है, किन्तु इसका कारणयह होगा कि यूवी-संवेदनशील कैमरों की आवश्यकता है। व्यवहार में, भिन्न-भिन्न लेज़रों में उत्पन्न दो भिन्न-भिन्न बीम ओवरलैप होते हैं। जहां 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 अतिरिक्त, थर्मोग्राफिक फॉस्फोरस विभिन्न तरंग दैर्ध्य पर प्रकाश उत्सर्जित करते हैं, जिससे उत्तेजना प्रकाश और पृष्ठभूमि के विरुद्ध 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 डेटा समूह तैयार किया जाता है जिसमें पार्टिकल इमेजयां सम्मिलित होती हैं। परिणाम पीआईवी के लिए गहरा तंत्रिका नेटवर्क है जो रिकॉर्ड की गई इमेजयों की अनुमति होने पर पिक्सेल के लिए अधिकतम सदिश तक सघन गति का अनुमान प्रदान कर सकता है। एआई पीआईवी 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 सदिश 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 अधिक सीमा तक तेज करने के लिए किया जा सकता है। इसी प्रकार अनेक सीपीयू या मल्टी-कोर सीपीयू पर मल्टी-प्रोसेसिंग, समानांतर या मल्टी-थ्रेडिंग प्रक्रियाएं अनेक पूछताछ विंडो या एकाधिक इमेजयों के वितरित प्रसंस्करण के लिए फायदेमंद होती हैं। कुछ एप्लिकेशन वास्तविक समय इमेज प्रसंस्करण विधियों का उपयोग करते हैं, जैसे एफपीजीए आधारित ऑन-द-फ्लाई इमेज संपीड़न या इमेज 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 प्रयुक्त किया गया है।

अनुप्रयोग

पीआईवी को प्रवाह समस्याओं की विस्तृत श्रृंखला पर प्रयुक्त 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 विधियों की मांग की गई है।

क्रॉस-सहसंबंध पर आधारित अल्पविकसित पीआईवी एल्गोरिदम को कुछ ही घंटों में प्रयुक्त किया जा सकता है, जबकि अधिक परिष्कृत एल्गोरिदम को समय के महत्वपूर्ण निवेश की आवश्यकता हो सकती है। अनेक 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।

ग्रैनुलर पीआईवी: ग्रैनुलर प्रवाह और हिमस्खलन में वेग माप

पीआईवी का उपयोग ग्रैनुलर 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 ग्रैनुलर सामग्री के लिए उपयुक्त है जो भूभौतिकी में आम हैं। इस पीआईवी दृष्टिकोण को "ग्रैनुलर पीआईवी" कहा जाता है। ग्रैनुलर पीआईवी के लिए समूह-अप सामान्य पीआईवी समूहअप से भिन्न होता है जिसमें ऑप्टिकल सतह संरचना जो कि ग्रैनुलर प्रवाह की सतह की रोशनी से उत्पन्न होती है, गति का पता लगाने के लिए पहले से ही पर्याप्त है। इसका कारणहै कि किसी को थोक सामग्री में ट्रेसर पार्टिकल जोड़ने की आवश्यकता नहीं है।

यह भी देखें

• डिजिटल इमेज सहसंबंध
• हॉट-वायर एनीमोमेट्री
• लेजर डॉपलर वेलोसिमेट्री
• आणविक टैगिंग वेलोसिमेट्री
• पार्टिकल ट्रैकिंग वेलोसिमेट्री

ग्रन्थसूची

• Raffel, M.; Willert, C.; Wereley, S.; Kompenhans, J. (2007). कण छवि वेलोसिमिट्री: एक व्यावहारिक मार्गदर्शिका. स्प्रिंगर-वेरलाग. ISBN 978-3-540-72307-3.
• एड्रियन, आर.जे.; वेस्टरवील, J. (2011). कण छवि वेलोसिमेट्री. कैम्ब्रिज यूनिवर्सिटी प्रेस. ISBN 978-0-521-44008-0.

संदर्भ

• Adrian, R.J. (1991). "प्रायोगिक द्रव यांत्रिकी के लिए कण-इमेजिंग तकनीक". द्रव यांत्रिकी की वार्षिक समीक्षा. 23 (1): 261–304. Bibcode:1991AnRFM..23..261A. doi:10.1146/annurev.fl.23.010191.001401.
• एड्रियन, R.J. (2005). "कण छवि वेलोसिमेट्री के बीस वर्ष". तरल पदार्थों में प्रयोग. 39 (2): 159–169. Bibcode:2005ExFl...39..159A. CiteSeerX 10.1.1.578.9673. doi:10.1007/s00348-005-0991-7. S2CID 37407798.
• काट्ज़, जे.; शेंग, जे. (2010). "द्रव यांत्रिकी और पार्टिकल गतिशीलता में होलोग्राफी के अनुप्रयोग" द्रव यांत्रिकी की वार्षिक समीक्षा। 42: 531-555. बिबकोड: doi:10.1146/annurev-fluid-121108-145508.
• सेंटियागो, J. G.; वेरेली, S. T.; मेनहार्ट, C. D.; बीबे, D. J.; एड्रियन, R. J. (1998). "एक सूक्ष्म कण छवि वेलोसिमेट्री प्रणाली". तरल पदार्थों में प्रयोग. 25 (4): 316–319. CiteSeerX 10.1.1.126.466. doi:10.1007/s003480050235. S2CID 123006803.
• फोरस, A.; ठोकरें, J.; लेविस, R.; होरिगन, K. (2007). "त्रि-आयामी सिंक्रोट्रॉन एक्स-रे कण छवि वेलोसिमेट्री". जर्नल ऑफ एप्लाइड फिजिक्स. 102 (6): 064916–064916–6. Bibcode:2007JAP...102f4916F. doi:10.1063/1.2783978.
• वेरेली, S.T.; मेनहार्ट, C.D. (2010). "माइक्रो-पार्टिकल इमेज वेलोसिमेट्री में हालिया प्रगति". द्रव यांत्रिकी की वार्षिक समीक्षा. 42 (1): 557–576. Bibcode:2010AnRFM..42..557W. doi:10.1146/annurev-fluid-121108-145427.

बाहरी संबंध

Test and Measurement at Curlie

पीआईवी प्रायोगिक द्रव गतिशीलता के लिए प्रयोगशाला में अनुसंधान (जे. काट्ज़ प्रयोगशाला)