miniaturadeimagen|200px|Velocimetría de imagen La velocimetría de imagen de partículas (PIV) es un método óptico de visualización de flujo utilizado en educación e investigación. Se usa para obtener mediciones de velocidad instantáneas 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 utiliza 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 Doppler con láser y la anemometría por cable 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 el PIV, la concentración de partículas es tal que es posible identificar partículas individuales en una imagen, pero no con certeza para rastrearlas entre imágenes. Cuando la concentración de partículas es tan baja que es posible seguir una partícula individual, se llama velocimetría de seguimiento de partículas (PTV), mientras que la velocimetría de moteado del láser se usa para casos donde la concentración de partículas es tan alta que es difícil observar partículas individuales en una imagen.
El arreglo PIV 2D (bidimensional) típico consiste en una cámara (normalmente una cámara digital con un chip CCD en sistemas modernos), una luz estroboscópica o un láser con una disposición óptica para limitar la región física iluminada (normalmente una lente cilíndrica para convertir un haz de luz en un plano), un sincronizador que actúa como un disparador externo para el control de la cámara y el láser, las partículas de siembra y el flujo estudiado. 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 post-procesar las imágenes ópticas.
Historia Si bien es probable que el método de agregar partículas u objetos a un fluido para observar su flujo se haya usado de vez en cuando a través de las edades, no se conoce una aplicación sostenida del método. El primero en utilizar partículas para estudiar fluidos de una manera más sistemática fue Ludwig Prandtl, a principios del .
La velocimetría con láser Doppler es anterior al PIV como sistema de análisis láser digital que se generalizará 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. El propio PIV encontró sus raíces en la velocimetría de moteado láser, una técnica con la que varios grupos comenzaron a experimentar a fines de los años setenta. A principios de la década de 1980, se encontró que era ventajoso disminuir la concentración de partículas a niveles en los que se pudieran observar partículas individuales. En 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 se necesitaba una inmensa cantidad de potencia informática para analizarlas.
Con el aumento del poder de las computadoras y el uso generalizado de las cámaras CCD, el PIV digital se ha vuelto cada vez más común, hasta el punto de que es la técnica principal en la actualidad.
Equipos y aparatos
Partículas de siembra Las partículas de siembra son un componente inherentemente crítico del sistema PIV. Dependiendo del fluido bajo investigación, las partículas deben ser capaces de igualar las propiedades del fluido razonablemente bien. De lo contrario, no seguirán el flujo de manera suficientemente satisfactoria para que el análisis PIV se considere preciso. Las partículas ideales tendrán la misma densidad que el sistema de fluido que se está utilizando y serán esféricas (estas partículas se denominan microesferas). Si bien la elección real de partículas depende de la naturaleza del fluido, generalmente para las investigaciones de macro PIV son perlas de vidrio, poliestireno, polietileno, escamas de aluminio o gotas de aceite (si el fluido bajo investigación es un gas). El índice de refracción para las partículas de siembra debe ser diferente del fluido que están sembrando, de modo que la lámina de láser que incide en el flujo del fluido se refleje en las partículas y se esparza hacia la cámara.
Las partículas son típicamente de un diámetro del orden de 10 micrómetros a 100 micrómetros. En cuanto al tamaño, las partículas deben ser lo suficientemente pequeñas para que el tiempo de respuesta de las partículas al movimiento del fluido sea razonablemente corto para seguir con precisión el flujo, pero lo suficientemente grande como para dispersar una cantidad significativa de la luz láser incidente. Para algunos experimentos que involucran combustión, el tamaño de las partículas sembradas puede ser más pequeño, del orden de 1 micrómetro, para evitar el efecto de enfriamiento que las partículas inertes pueden tener sobre las llamas. Debido al pequeño tamaño de las partículas, el movimiento de las partículas está influenciado por las Leyes de Stoke y los efectos de sedimentación o aumento. En un modelo donde las partículas se modelan como esferas (microesferas) en un número de Reynolds muy bajo, la capacidad de las partículas para seguir el flujo del fluido es inversamente proporcional a la diferencia de densidad entre las partículas y el fluido, y también inversamente proporcional al cuadrado de su diámetro. La luz dispersada de las partículas está dominada por la dispersión de Mie, por lo que también es proporcional al cuadrado de los diámetros de las partículas. Por lo tanto, el tamaño de partícula debe equilibrarse para dispersar la luz suficiente para visualizar con precisión todas las partículas dentro del plano de la lámina láser, pero lo suficientemente pequeño para seguir con precisión el flujo.
El mecanismo de siembra también debe diseñarse para sembrar el flujo en un grado suficiente sin alterar demasiado el flujo.
Cámara Para realizar un análisis de PIV en el flujo, se requieren dos exposiciones de luz láser en la cámara desde el flujo. Originalmente, con la incapacidad de las cámaras para capturar múltiples fotogramas a altas velocidades, ambas exposiciones se capturaron en el mismo fotograma y este único fotograma se utilizó para determinar el flujo. Se utilizó un proceso llamado autocorrelación para este análisis. Sin embargo, como resultado de la autocorrelación, la dirección del flujo no es clara, ya que no está claro qué puntos de partículas son del primer pulso y cuáles del segundo pulso. Cámaras digitales más rápidas utilizando chips CCD o CMOS fueron desarrolladas desde que se pueden capturar dos cuadros a alta velocidad con una diferencia de unos pocos cientos de ns entre los cuadros. Esto ha permitido que cada exposición sea aislada en su propio marco para un análisis de correlación cruzada más preciso. La limitación de las cámaras típicas es que esta velocidad rápida se limita a un par de disparos. Esto se debe a que cada par de disparos debe transferirse a la computadora antes de poder tomar otro par de disparos. Las cámaras típicas solo pueden tomar un par de fotos a una velocidad mucho más lenta. Las cámaras CCD o CMOS de alta velocidad están disponibles, pero son mucho más caras.
Láser y óptica Para las configuraciones de macro PIV, los láseres son predominantes debido a su capacidad para producir haces de luz de alta potencia con duraciones de pulso cortas. Esto produce tiempos de exposición cortos para cada cuadro. Los láseres Nd: YAG , comúnmente utilizados en configuraciones PIV, emiten principalmente a una longitud de onda de 1064 nm y sus armónicos (532 nm, 266 nm, etc.). Por razones de seguridad, la emisión del láser generalmente se filtra en banda pasante para aislar los armónicos de 532 nm (esto es luz verde, el único armónico capaz de ser visto a simple vista). Se puede usar un cable de fibra óptica o una guía de luz líquida para dirigir la luz láser a la configuración experimental.
La óptica consiste en una combinación de lente esférica y lente cilíndrica. La lente cilíndrica expande el láser en un plano, mientras que la lente esférica comprime el plano en una hoja delgada. Esto es crítico ya que la técnica PIV generalmente no puede medir el movimiento normal a la hoja láser y, por lo tanto, idealmente, esto se elimina manteniendo una hoja láser completamente bidimensional. Sin embargo, se debe tener en cuenta que la lente esférica no puede comprimir la hoja láser en un plano bidimensional real. El grosor mínimo es del orden de la longitud de onda de la luz láser y se produce a una distancia finita de la configuración óptica (el punto focal de la lente esférica). Esta es la ubicación ideal para colocar el área de análisis del experimento.
La lente correcta para la cámara también debe seleccionarse para enfocar y visualizar adecuadamente las partículas dentro del área de investigación.
Sincronizador El sincronizador actúa como un disparador externo para la(s) cámara(s) y el láser. Mientras que los sistemas analógicos en forma de un fotodetector, el diafragma y una fuente de luz se han utilizado en el pasado, la mayoría de los sistemas en uso hoy en día son digitales. Controlado por una computadora, el sincronizador puede dictar el tiempo de cada cuadro de la secuencia de la cámara CCD junto con el disparo del láser con una precisión de 1 ns. Por lo tanto, el tiempo entre cada impulso del láser y la colocación del disparo del láser en referencia a la sincronización de la cámara se puede controlar con precisión. El conocimiento de este tiempo es crítico ya que es necesario para determinar la velocidad del fluido en el análisis PIV. Sincronizadores electrónicos independientes, llamados generadores digitales de retardo, ofrece temporización de resolución variable desde tan solo 250 ps hasta tan alto como varios ms. Con hasta ocho canales de temporización sincronizada, ofrecen los medios para controlar varias lámparas de flash y Q-switches, así como para proporcionar múltiples exposiciones de la cámara.
Análisis Análisis PIV de una pareja de vórtices. El aumento en la parte superior izquierda muestra el aumento en la resolución espacial que se puede lograr utilizando una técnica moderna de deformación de ventanas de múltiples pases.
Los marcos se dividen en un gran número de áreas de interrogación, o ventanas. Entonces es posible calcular un vector de desplazamiento para cada ventana con la ayuda del procesamiento de señales y las técnicas de autocorrelación o correlación cruzada. Esto se convierte a una velocidad utilizando el tiempo entre las tomas láser y el tamaño físico de cada píxel en la cámara. El tamaño de la ventana de interrogación debe elegirse para tener un promedio de al menos 6 partículas por ventana. Un ejemplo visual de Análisis PIV se puede ver aquí.