Velocimetría de imagen de partículas
La velocimetría de imagen de partículas ( PIV ) es un método óptico de visualización de flujo utilizado en educación [1] e investigación. [2] [3] [4] [5] [6] Se utiliza para obtener mediciones de velocidad instantánea y propiedades relacionadas en fluidos . El fluido se siembra con partículas trazadoras que, para partículas suficientemente pequeñas, se supone que siguen fielmente la dinámica del flujo (el grado en que las partículas siguen fielmente el flujo se representa mediante el número de Stokes). El fluido con partículas arrastradas se ilumina para que las partículas sean visibles. El movimiento de las partículas de siembra se usa para calcular la velocidad y la dirección (el campo de velocidad ) del flujo que se está estudiando.
Otras técnicas utilizadas para medir flujos son la velocimetría láser Doppler y la anemometría de hilo caliente . La principal diferencia entre PIV y esas técnicas es que PIV produce campos vectoriales bidimensionales o incluso tridimensionales , mientras que las otras técnicas miden la velocidad en un punto. Durante PIV, la concentración de partículas es tal que es posible identificar partículas individuales en una imagen, pero no con certeza rastrearlas entre imágenes. Cuando la concentración de partículas es tan baja que es posible seguir una partícula individual, se denomina velocimetría de seguimiento de partículas , mientras que la velocimetría de motas láserse utiliza para casos en los que la concentración de partículas es tan alta que es difícil observar partículas individuales en una imagen.
El aparato PIV típico consta de una cámara (normalmente una cámara digital con un chip CCD en los sistemas modernos), una luz estroboscópica o láser con una disposición óptica para limitar la región física iluminada (normalmente una lente cilíndrica para convertir un haz de luz en una línea), un sincronizador para actuar como disparador externo para el control de la cámara y el láser, las partículas de siembra y el fluido bajo investigación. Un cable de fibra óptica o una guía de luz líquida pueden conectar el láser a la configuración de la lente. El software PIV se utiliza para procesar posteriormente las imágenes ópticas. [7] [8]
Si bien es probable que el método de agregar partículas u objetos a un fluido para observar su flujo se haya utilizado de vez en cuando a lo largo de los siglos, no se conoce ninguna aplicación sostenida del método. El primero en usar partículas para estudiar fluidos de una manera más sistemática fue Ludwig Prandtl , a principios del siglo XX.
La velocimetría láser Doppler es anterior a PIV como un sistema de análisis láser digital que se generalizó para la investigación y el uso industrial. Capaz de obtener todas las mediciones de velocidad de un fluido en un punto específico, puede considerarse el predecesor inmediato del PIV bidimensional. PIV mismo encontró sus raíces en la velocimetría de motas láser, una técnica con la que varios grupos comenzaron a experimentar a fines de la década de 1970. A principios de la década de 1980 se descubrió que era ventajoso disminuir la concentración de partículas hasta niveles en los que se pudieran observar partículas individuales. A estas densidades de partículas, se observó además que era más fácil estudiar los flujos si se dividían en muchas áreas de "interrogación" muy pequeñas, que podían analizarse individualmente para generar una velocidad para cada área. Las imágenes generalmente se grababan con cámaras analógicas y necesitaban una gran cantidad de poder de cómputo para ser analizadas.
Con el poder cada vez mayor de las computadoras y el uso generalizado de cámaras CCD , PIV digital se ha vuelto cada vez más común, hasta el punto de que es la técnica principal en la actualidad.
