La velocimetría es la medida de la velocidad de los fluidos . Esta es una tarea que a menudo se da por sentada e implica procesos mucho más complejos de lo que cabría esperar. A menudo se utiliza para resolver problemas de dinámica de fluidos , estudiar redes de fluidos, en aplicaciones industriales y de control de procesos , así como en la creación de nuevos tipos de sensores de flujo de fluidos . Los métodos de velocimetría incluyen velocimetría de imágenes de partículas y velocimetría de seguimiento de partículas , velocimetría de marcado molecular , interferometría basada en láser , métodos Doppler ultrasónicos, sensores Doppler y nuevosmetodologías de procesamiento de señales .
En general, las mediciones de velocidad se realizan en los marcos de referencia lagrangiano o euleriano (véanse las coordenadas lagrangianas y eulerianas ). Los métodos lagrangianos asignan una velocidad a un volumen de fluido en un momento dado, mientras que los métodos eulerianos asignan una velocidad a un volumen del dominio de medición en un momento dado. Un ejemplo clásico de la distinción es la velocimetría de seguimiento de partículas, donde la idea es encontrar la velocidad de las partículas trazadoras de flujo individuales (lagrangianas) y la velocimetría de imágenes de partículas, donde el objetivo es encontrar la velocidad promedio dentro de una subregión del campo de vista (euleriana). [1]
Historia
La velocimetría se remonta a los días de Leonardo da Vinci , quien flotaba semillas de pasto en un flujo y dibujaba las trayectorias resultantes de las semillas que observaba (una medida lagrangiana). [2] Finalmente, las visualizaciones de flujo de Da Vinci se utilizaron en sus estudios cardiovasculares, intentando aprender más sobre el flujo sanguíneo en todo el cuerpo humano. [3]
Se llevaron a cabo métodos similares a los de da Vinci durante cerca de cuatrocientos años debido a limitaciones tecnológicas. Otro estudio notable proviene de Felix Savart en 1833. Usando un instrumento estroboscópico , esbozó los impactos de los chorros de agua. [3]
A fines del siglo XIX, se logró un gran avance en estas tecnologías cuando fue posible tomar fotografías de patrones de flujo. Un ejemplo notable de esto es Ludwig Mach usando partículas irresolubles a simple vista para visualizar líneas de corriente. [4] Otra contribución notable ocurrió en el siglo XX por Jules Marey quien utilizó técnicas fotográficas para introducir el concepto de caja de humo. Este modelo permitió rastrear tanto las direcciones del flujo como la velocidad, ya que las líneas de corriente más cercanas indicaban un flujo más rápido. [3]
Más recientemente, las cámaras de alta velocidad y la tecnología digital han revolucionado el campo. permitiendo la posibilidad de muchas más técnicas y renderizado de campos de flujo en tres dimensiones. [3]
Métodos
Hoy las ideas básicas establecidas por da Vinci son las mismas; el flujo debe sembrarse con partículas que puedan observarse mediante el método de elección. Las partículas de siembra dependen de muchos factores, incluido el fluido, el método de detección, el tamaño del dominio de medición y, a veces, las aceleraciones esperadas en el flujo. [5] Si el flujo contiene partículas que se pueden medir de forma natural, no es necesario sembrar el flujo. [6]
La reconstrucción espacial de los tubos de flujo de fluidos utilizando imágenes de larga exposición del trazador se puede aplicar para agilizar la velocimetría de imágenes, la velocimetría libre de velocidad de cuadros de alta resolución de los flujos estacionarios. [7] La integración temporal de la información velocimétrica se puede utilizar para totalizar el flujo de fluido. Para medir la velocidad y la longitud en superficies en movimiento, se utilizan velocímetros de superficie láser . [8]
El fluido generalmente limita la selección de partículas según su gravedad específica; idealmente, las partículas deberían tener la misma densidad que el fluido. Esto es especialmente importante en flujos con una alta aceleración (por ejemplo, flujo de alta velocidad a través de un codo de tubería de 90 grados). [9] Los fluidos más pesados como el agua y el aceite son, por lo tanto, muy atractivos para la velocimetría, mientras que el aire representa un desafío en la mayoría de las técnicas porque rara vez es posible encontrar partículas de la misma densidad que el aire.
Aún así, incluso las técnicas de medición de campo grande como PIV se han realizado con éxito en el aire. [10] Las partículas utilizadas para la siembra pueden ser tanto gotas líquidas como partículas sólidas. Se prefieren las partículas sólidas cuando son necesarias concentraciones elevadas de partículas. [9] Para mediciones puntuales como la velocimetría láser Doppler , las partículas en el rango de diámetro nanométrico, como las del humo del cigarrillo, son suficientes para realizar una medición. [6]
En agua y aceite hay una variedad de perlas industriales económicas que se pueden usar, como esferas de vidrio huecas recubiertas de plata fabricadas para ser polvos conductores (rango de diámetro de decenas de micrómetros) u otras perlas utilizadas como reflectores y agentes de textura en pinturas y revestimientos. . [11] No es necesario que las partículas sean esféricas; en muchos casos se pueden utilizar partículas de dióxido de titanio. [12]
Aplicaciones relevantes
PIV se ha utilizado en investigaciones sobre el control del ruido de las aeronaves. Este ruido es creado por la mezcla a alta velocidad de los gases de escape del chorro caliente con la temperatura ambiente del ambiente. Se ha utilizado PIV para modelar este comportamiento. [13]
Además, la velocimetría Doppler permite técnicas no invasivas para determinar si los fetos tienen el tamaño adecuado en un período determinado de embarazo. [14]
enlaces externos
- El portal de velocimetría es un centro en línea para técnicas de diagnóstico de flujo láser (PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, PIV de alta velocidad, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP, etc.). Este portal se está desarrollando para brindar la mayor cantidad de información posible sobre las Técnicas de Diagnóstico de Flujo Láser de manera consolidada. Los servicios incluyen principios básicos, aplicaciones, foros de discusión, enlaces a enlaces. Se hace un esfuerzo concentrado para reunir todas las aplicaciones actuales y posibles de PIV, StereoPIV, MicroPIV, NanoPIV, PIV de alta velocidad, PTV, LDV, PDPA, PLIF, ILIDS, PSP. El portal de Velocimetría pretende convertirse en el punto de referencia para todas las consultas relacionadas con las Técnicas de Diagnóstico de Flujo Láser.
Referencias
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