مقدمة
قياس سرعة تتبع الجسيمات (PTV) هو أسلوب بصري لقياس السرعة يعتمد على تتبع حركة الجسيمات الفردية في مائع. يوفر هذا الأسلوب معلومات تفصيلية حول حقول السرعة في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من دراسة التدفقات المجهرية في الأجهزة الدقيقة وحتى تحليل التدفقات واسعة النطاق في الهندسة المدنية والبيئية. على عكس تقنيات قياس السرعة الأخرى التي تعتمد على متوسط الخصائص الفيزيائية للتدفق، يتيح PTV تتبع حركة الجسيمات المنفصلة، مما يوفر رؤى فريدة حول سلوك التدفق وتفاصيله.
مبدأ العمل الأساسي
يعتمد PTV على تصوير الجسيمات المتتبعة في المائع خلال فترة زمنية. يتم إضاءة الجسيمات بواسطة مصدر ضوء مناسب، مثل الليزر أو مصباح ستروب، ويتم تسجيل صور متتابعة باستخدام كاميرا عالية الدقة. بعد ذلك، يتم تحليل هذه الصور لتحديد مواقع الجسيمات في كل إطار زمني. يتم تحديد السرعة من خلال حساب الإزاحة التي تقطعها الجسيمات بين الإطارات المتتالية وتقسيمها على الفترة الزمنية بين الإطارات. يمكن بعد ذلك تجميع هذه المعلومات لإنشاء خريطة كاملة لحقل السرعة.
الجسيمات المتتبعة
يعد اختيار الجسيمات المتتبعة المناسبة أمرًا بالغ الأهمية لنجاح PTV. يجب أن تكون الجسيمات صغيرة بما يكفي لتتبع حركة المائع بدقة، ولكنها كبيرة بما يكفي بحيث يمكن رؤيتها بوضوح في الصور. بالإضافة إلى ذلك، يجب أن تكون الجسيمات محايدة الكثافة قدر الإمكان لتقليل تأثير الجاذبية أو قوى الطفو على حركتها. تشمل المواد الشائعة المستخدمة في الجسيمات المتتبعة البوليسترين، والزجاج، والجسيمات المعدنية المغلفة بالفضة. يعتمد اختيار المادة على خصائص المائع المراد قياسه ومتطلبات التطبيق المحدد.
إعداد التجربة
يتطلب إعداد تجربة PTV تخطيطًا دقيقًا لضمان الحصول على بيانات دقيقة وموثوقة. تشمل الاعتبارات الرئيسية ما يلي:
- مصدر الإضاءة: يجب أن يوفر مصدر الإضاءة إضاءة موحدة للجسيمات المتتبعة. غالبًا ما تستخدم الليزرات بسبب شدتها العالية وقدرتها على إنتاج ورقة ضوئية رفيعة لتصوير مقطع عرضي ثنائي الأبعاد من التدفق. يمكن أيضًا استخدام مصابيح ستروب، خاصة للتطبيقات واسعة النطاق.
- الكاميرا: يجب أن تكون الكاميرا المستخدمة في PTV قادرة على التقاط صور عالية الدقة بمعدل إطارات كافٍ لتتبع حركة الجسيمات بدقة. غالبًا ما تستخدم الكاميرات الرقمية عالية السرعة.
- البصريات: تستخدم العدسات والمرايا لتركيز الضوء على منطقة القياس وتكبير صور الجسيمات المتتبعة. يجب اختيار البصريات بعناية لتقليل التشوهات وضمان الحصول على صور واضحة.
- التحكم في التدفق: في بعض التطبيقات، قد يكون من الضروري التحكم في التدفق المراد قياسه. يمكن تحقيق ذلك باستخدام مضخات أو صمامات أو غيرها من الأجهزة.
معالجة الصور وتحليل البيانات
تتضمن معالجة الصور وتحليل البيانات في PTV عدة خطوات:
- اكتشاف الجسيمات: الخطوة الأولى هي تحديد مواقع الجسيمات المتتبعة في كل إطار زمني. يمكن القيام بذلك باستخدام مجموعة متنوعة من الخوارزميات، مثل تقنيات عتبة الحد، وتقنيات اكتشاف النتوء، وتقنيات الارتباط المتبادل.
- تتبع الجسيمات: بمجرد تحديد مواقع الجسيمات، يجب تتبعها من إطار إلى آخر. يمكن القيام بذلك باستخدام مجموعة متنوعة من الخوارزميات، مثل خوارزميات الجوار الأقرب، وخوارزميات الترشيح كالمين، وخوارزميات التحسين العام.
- حساب السرعة: يتم حساب السرعة من خلال حساب الإزاحة التي تقطعها الجسيمات بين الإطارات المتتالية وتقسيمها على الفترة الزمنية بين الإطارات.
- معالجة البيانات: بعد حساب السرعات، يمكن معالجة البيانات لإنشاء خرائط لحقل السرعة، وحساب المتوسطات الإحصائية، واستخراج معلومات أخرى ذات صلة حول التدفق.
مزايا وعيوب PTV
مزايا PTV:
- معلومات تفصيلية: يوفر PTV معلومات تفصيلية حول حقول السرعة، بما في ذلك معلومات حول الدوامات، والقص، والخصائص الأخرى للتدفق.
- غير تدخلية: PTV هو أسلوب غير تدخلي، مما يعني أنه لا يعطل التدفق المراد قياسه.
- تطبيقات واسعة النطاق: يمكن استخدام PTV في مجموعة متنوعة من التطبيقات، بدءًا من دراسة التدفقات المجهرية وحتى تحليل التدفقات واسعة النطاق.
عيوب PTV:
- كثافة الجسيمات المحدودة: يتطلب PTV كثافة جسيمات منخفضة نسبيًا لضمان إمكانية تتبع الجسيمات الفردية بدقة.
- متطلبات المعالجة: يمكن أن تكون معالجة الصور وتحليل البيانات في PTV مكثفة حسابيًا، خاصة بالنسبة للتدفقات المعقدة أو مجموعات البيانات الكبيرة.
- التكلفة: يمكن أن يكون إعداد تجربة PTV مكلفًا، خاصة إذا كانت الكاميرات عالية السرعة، والليزر، والبصريات الأخرى مطلوبة.
تطبيقات PTV
يستخدم PTV في مجموعة واسعة من التطبيقات في مختلف المجالات، بما في ذلك:
- ميكانيكا الموائع: يستخدم PTV لدراسة خصائص التدفق في مجموعة متنوعة من الأنظمة، مثل الأنابيب، والقنوات، والمفاعلات الكيميائية.
- الهندسة الطبية الحيوية: يستخدم PTV لدراسة تدفق الدم في الأوعية الدموية، وحركة السوائل في الأجهزة الطبية، وغيرها من العمليات البيولوجية.
- الهندسة البيئية: يستخدم PTV لدراسة حركة الملوثات في الأنهار والبحيرات والمحيطات، وانتشار الملوثات في الهواء، وغيرها من الظواهر البيئية.
- الهندسة الميكانيكية: يستخدم PTV لدراسة التدفق حول المركبات، وحركة السوائل في المحركات، وغيرها من الأنظمة الميكانيكية.
- علم الأحياء الدقيقة: يستخدم PTV لدراسة حركة الكائنات الحية الدقيقة في البيئات السائلة.
التطورات الحديثة في PTV
شهد PTV العديد من التطورات الحديثة التي وسعت قدراته وتطبيقاته، بما في ذلك:
- PTV ثلاثي الأبعاد (3D-PTV): تتيح هذه التقنية قياس حقول السرعة ثلاثية الأبعاد من خلال استخدام كاميرات متعددة لعرض منطقة القياس من زوايا مختلفة.
- PTV هولوغرافي: تستخدم هذه التقنية التصوير المجسم لتسجيل معلومات ثلاثية الأبعاد حول الجسيمات المتتبعة، مما يسمح بإعادة بناء حقول السرعة ثلاثية الأبعاد.
- PTV زمني الحل (Time-Resolved PTV): تركز هذه التقنية على التقاط التغيرات السريعة في حقول السرعة، مما يوفر معلومات حول ديناميكيات التدفق العابرة.
- PTV مجهري: يطبق هذا النهج PTV على المقاييس المجهرية، مما يسمح بدراسة التدفقات في الأجهزة الدقيقة والقنوات الدقيقة.
خاتمة
قياس سرعة تتبع الجسيمات (PTV) هو أسلوب قوي ومتعدد الاستخدامات لقياس السرعة يوفر معلومات تفصيلية حول حقول السرعة في مجموعة واسعة من التطبيقات. على الرغم من وجود بعض القيود، إلا أن PTV يظل أداة قيمة للباحثين والمهندسين الذين يسعون إلى فهم وتحسين سلوك التدفق في مختلف الأنظمة. مع استمرار التطورات التكنولوجية، من المتوقع أن يصبح PTV أكثر أهمية في المستقبل.