кнопка поиска  |   Ru  |  En

SIV - метод измерения динамики векторных полей скорости и завихренности потока методом дымовой визуализации.

 

Позволяет получать динамику пространственных полей скорости с частотой порядка 1-2 кГц (частота в общем случае ограничивается возможностями лазера и видеокамеры).

 

Суть метода заключается в специальном алгоритме покадровой обработки видеоизображений, полученных при помощи скоростной камеры, с применением метода распознавания образов.

 
 
Почему исследователи выбирают SIV?
- одновременное получение качественной и количественной информации о потоке;
- позволяет исследовать высокочастотные процессы (в том числе нестационарные);
- приемлемая стоимость необходимого оборудования.
 

 
Основное оборудование



 

Описание метода

Определение векторных полей скорости потока в методе основано на измерении перемещений турбулентных структур, визуализируемых в световом ноже с использованием дыма, за фиксированный промежуток времени между кадрами. Динамика визуализируемого течения регистрируется цифровой скоростной видеокамерой (рис.1).

Рис.1. Установка для измерения поля скорости в канале

 

Задымление потока осуществляется с использованием генератора дыма. Диаметр частиц на выходе порядка 1 мкм, плотность - близка к плотности воздуха. Частицы с такими параметрами обеспечивают надежное слежение за пульсациями скорости турбулентного потока с частотой до 10 кГц.

Измерение смещений турбулентных структур выполняется следующим образом. Перед началом обработки последовательности видеокадров в исследуемой части потока задаются координаты точек (узлы расчетной сетки), в которых необходимо оценить векторы скорости.Далее в окрестности каждого узла расчетной сетки на каждом кадре выделяется небольшая часть изображения - исходный фрагмент (рис.2). Его размеры по координатам x и y составляют Nx и Ny пикселей. Исходные фрагменты на кадре k последовательно сравниваются со смещенными в пространстве фрагментами такой же формы и размеров, расположенных на кадре k+1. Мера сходства между фрагментами при смещении Δi и Δj определяется величиной функционала:

где Ik,i j – яркость пикселя с координатами (i, j) в градации серого на кадре k, Ik+1,i+Δi, j+Δj – яркость пикселя с координатами (i+Δi, j+Δj) в градации серого на кадре k+1, Δi, Δj – смещение координат фрагмента на кадре k+1 относительно кадра k.

   

Рис. 2. Схема определения смещения исходного фрагмента в момент времени t. 1 – исходный фрагмент; 2 – узел расчетной сетки; 3 – фрагмент, наиболее похожий на исходный; 4 – область поиска

 

Для ускорения процедуры обработки кадров вокруг каждого узла сетки задается область поиска (рис.2), ограничивающая диапазон изменения смещений Δi и Δj  фрагмента на кадре k+1 относительно узла расчетной сетки. Область поиска задается произвольно и может учитывать преимущественное направление смещений.

В области поиска находятся смещения Δi и Δj, при которых достигается наименьшее значение функционала F. Эти смещения указывают на положение наиболее похожего фрагмента с точностью до пикселя.

Подпиксельная интерполяция выполняется поверхностью второго порядка. Для повышения точности алгоритма подпиксельной интерполяции коэффициенты a0, a1, a2, a12, a11, a22  аппроксимирующей зависимости:

оцениваются методом наименьших квадратов по значениям функционала в 9 ближайших к минимуму точках пространства смещений F(x,y) (рис.3).

Рис.3. Значения функционала в окрестности минимума. Точками отмечены ближайшие к минимуму координаты пространства смещений, в которых определены значения функционала F

 

После вычисления смещений фрагментов во всех узлах сетки, для каждой пары последовательных кадров рассчитывается векторное поле скорости, описывающее движение потока за промежуток времени, равный межкадровой задержке.

Для современных скоростных видеокамер, например, Phantom V2511, межкадровая задержка при разрешении 640х480 пикселей равна 1,43•10-5 с, что позволяет исследовать нестационарные процессы, происходящие с частотой до 1748 Гц с получением 40 измеренных значений за период. Такие характеристики при условии равенства смещения и размера исходного фрагмента также позволяют измерять поля скорости в потоках, скорость которых равна скорости звука, с размером исходного фрагмента порядка 37 пикселей. При уменьшении размера области съемки до 256х128 пикселей  данная  видеокамера  позволяет  измерять  смещения  фрагментов  размером  7х7  пикселей  при  скорости 350 м/с.