Summary
Ekko partikel billede Velocimetry (EPIV) system, der kan opnå todimensionale områder af hastigheden i optisk opake væsker eller via optisk uigennemsigtige geometrier er beskrevet, og valideringsmålinger i rørstrømning rapporteres.
Abstract
Transporten af masse, momentum og energi i fluidumstrømme er i sidste ende bestemt af Spatiotemporal fordelinger af væskehastigheden feltet. 1 Følgelig en forudsætning for forståelse, forudsigelse og styring fluidumstrømme er evnen til at måle hastigheden feltet med passende rumlig og tidsmæssig opløsning. 2 For hastighedsmålinger i optisk uigennemsigtige fluider eller via optisk uigennemsigtige geometrier, echo partikel billede Velocimetry (EPIV) er et attraktivt diagnostisk teknik til at generere "øjeblikkelig" todimensionale områder af hastighed. 3,4,5,6 I denne papir, driver protokol for et EPIV system bygget ved at integrere en kommerciel medicinsk ultralyd maskine 7 med en pc, der kører kommerciel partikel billede Velocimetry (PIV) software 8 er beskrevet, og valideringsmålinger i Hagen-Poiseuille (dvs. laminar rør) strømning er rapporteret .
For EPIV foranstaltningmenter, er en phased array-probe forbundet til medicinsk ultralyd maskinen anvendt til at danne et todimensionalt ultralydsbillede ved at pulsere de piezoelektriske sondeelementer på forskellige tidspunkter. Hver probe element transmitterer en ultralyd puls ind i fluidet, og tracer partikler i fluidet (enten naturligt forekommende eller podet) afspejler Ultralydsekkoerne tilbage til proben, hvor de registreres. Amplituden af de reflekterede ultralydsbølger, og deres tid forsinkelse i forhold til transmissionen anvendes til at skabe den såkaldte B-tilstand (lysstyrke) todimensionale ultralydbilleder. Specifikt tidsforsinkelse til bestemmelse af positionen af sprederen i fluidet og amplituden bruges til at tildele intensitet til sprederen. Den nødvendige tid til opnåelse af en enkelt B-mode image, t, bestemmes af den tid, det tager at pulsere alle elementerne i phased array probe. For at erhverve flere B-mode billeder, frame rate af systemet i frames per sekund (fps) = 1 / & deLTA; t. (Se 9 for en gennemgang af ultralydsscanning.)
For en typisk EPIV eksperiment, er rammen på mellem 20-60 fps, afhængigt af strømningsforholdene og 100-1000 B-mode billeder af den rumlige fordeling af sporstoffet partikler i strømmen er anskaffet. Når der er opnået, er B-mode ultralyd billeder transmitteres via en Ethernet-forbindelse til pc'en kører PIV kommerciel software. Brug af PIV software, tracer partikel forskydning felter, D (x, y) [pixel], (hvor x og y betegner horisontal og vertikal rumlig position i ultralydsbilledet, henholdsvis) erhverves ved anvendelse af krydskorrelationsfunktioner algoritmer til successiv ultralyd B- tilstanden billeder. 10 Velocity felter, u (x, y) [m / s], bestemmes ud fra de forskydninger felterne, vel vidende den tid trin mellem billede par, ATm [s], og forstørrelsen, M [meter / pixel ], dvs u (x, y) = MD (x, y) / AT. Den tid, trin between billeder ATm = 1/fps + D (x, y) / B, hvor B [pixels / s] er den tid det tager for ultralydsonden at feje hen over billedet bredde. I den foreliggende undersøgelse, M = 77 [um / pixel], fps = 49,5 [1 / s], og B = 25.047 [pixels / s]. Når der er opnået, kan de hastighedsfelter analyseres for at beregne strømnings-mængder af interesse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Den driver protokol for et ekko partikel billede Velocimetry (EPIV) system, der kan erhverve todimensionale områder af hastigheden i optisk uigennemsigtige væsker eller gennem optisk uigennemsigtige geometrier blev beskrevet. Praktisk anvendelse af EPIV er velegnet til undersøgelse af industrielle og biologisk strømningssystemer, hvor strømmen af uigennemsigtige fluider forekommer i en lang række anvendelse. Det særlige system er anvendt her bevidst bygget til at studere flydeegenskaber flydende biomasse fl…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Forfatterne takker støtte fra National Science Foundation, CBET0846359, tilskud monitor Horst Henning Winter.
Materials
| Name of the reagent | Company | Catalogue number | Comments (optional) |
| Ultrasound Machine | GE | Vivid 7 Pro | |
| Linear Ultrasound Array | GE | 10 L | |
| DC Water Pump | KNF | NF 10 KPDC | |
| Vector Processing Software | Lavision | DaVis 7.2 | |
| Post Processing Software | Mathworks | MATLAB 7.12 | |
| Acrylic Tubing | McMaster-Carr | 8486K531 | |
| Ultrasound Gel | Parker | Aquasonic 100 |
References
- White, F. M. . Fluid Mechanics. , (1994).
- Hak, M. G. a. d. -. e. l. . Flow Control: Passive, Active, and Reactive Flow Management. , (2000).
- Kim, B. H., Hertzberg, J. R., Shandas, R. Development and validation of echo PIV. Exp. Fluids. 36, 455-462 (2004).
- Zheng, H., Liu, L., Williams, L., Hertzberg, J. R., Lanning, C., Shandas, R. Real time multicomponent echo particle image velocimetry technique for opaque flow imaging. Appl. Phys. Lett. 88, 261915 (2006).
- Beulen, B., Bijnens, N., Rutten, M., Brands, P., van de Vosse, F. Perpendicular ultrasound velocity measurement by 2D cross correlation of RF data. Part A: validation in a straight tube. Exp. Fluids. 49, 1177-1186 (2010).
- Poelma, C., Mari, J. M., Foin, N., Tang, M. -. X., Krams, R., Caro, C. G., Weinberg, P. D., Westerweel, J. 3D Flow reconstruction using ultrasound PIV. Exp. Fluids. 50, 777-785 (2011).
- GE VINGMED ULTRASOUND A/A. . Vivid 7/Vivid 7 PRO User’s Manual. , (1988).
- Szabo, T. . Diagnostic Ultrasound Imaging: Inside Out. , (2004).
- Raffel, M., Willert, C., Wereley, S., Kompenhans, J. . Particle Image Velocimetry: A Practical Guide. , (2007).
