Echo Particle Image Velocimetry
Summary
Ein Echo Teilchenbildanalysator Velocimetry (EPIV)-System in der Lage ist Erfassen zweidimensionale Felder der Geschwindigkeit in optisch opaken Fluide oder durch optisch opaken Geometrien beschrieben und Validierung Messungen in Rohrströmung berichtet.
Abstract
Der Transport von Masse, Impuls und Energie in Flüssigkeit fließt, wird letztlich durch raumzeitliche Verteilung der Fluidgeschwindigkeit Feld bestimmt. 1 Folglich ist eine Voraussetzung für das Verständnis, Vorhersage und Steuerung fließt, ist die Fähigkeit, die Geschwindigkeit Feld mit Messung angemessene räumliche und zeitlicher Auflösung. 2 Für Geschwindigkeitsmessungen in optisch undurchsichtige Flüssigkeiten oder durch lichtundurchlässige Geometrien echo Particle Image Velocimetry (EPIV) ist eine attraktive diagnostische Technik zur "sofortigen" zweidimensionale Felder der Geschwindigkeit zu erzeugen. 3,4,5,6 In diesem Papier, das Betriebssystem-Protokoll für eine EPIV System durch die Integration einer kommerziellen medizinischen Ultraschallgerät 7 mit einem PC mit kommerziellen Particle Image Velocimetry (PIV)-Software 8 beschrieben gebaut und Validierung Messungen in Hagen-Poiseuille (dh laminare Rohr) Flow gemeldet .
Für die EPIV Maßnahmegen wird eine Phasen-Array-Sonde, die mit dem medizinischen Ultraschall-Maschine verwendet, um ein zweidimensionales Ultraschallbild durch Pulsen der piezoelektrischen Sondenelemente zu unterschiedlichen Zeitpunkten erzeugen. Jedes Tastelements überträgt ein Ultraschallimpuls in das Fluid und Teilchen in der Tracer Fluid (entweder natürlich vorkommende oder seeded) reflektieren Ultraschallechos zurück an die Sonde, wenn sie aufgezeichnet werden. Die Amplitude der reflektierten Ultraschallwellen und deren Zeitverzögerung relativ zur Übertragung verwendet werden, um zu erstellen, was als B-Modus (Helligkeitsbetriebsart) zweidimensionalen Ultraschallbildern bekannt. Insbesondere wird die Zeitverzögerung verwendet, um die Position des Streuers in der Flüssigkeit zu bestimmen, und die Amplitude verwendet wird, um die Intensität der Streuer zuordnen. Die erforderliche Zeit, um eine einzelne B-Modus-Bild, t, zu erhalten, wird durch die Zeit, um all die Elemente der Phased-Array-Sonde Puls bestimmt. Für den Erwerb von mehreren B-Mode-Bilder, die Bildrate des Systems in Frames pro Sekunde (fps) = 1 / & delta; t. (Siehe 9 für eine Überprüfung der Ultraschall-Bildgebung.)
Für eine typische EPIV Experiment beträgt die Bildrate zwischen 20-60 fps, je nach Strömungsverhältnissen und 100-1000 B-Modus-Bilder der räumlichen Verteilung der Tracer Teilchen in der Strömung erfasst. Einmal erworben, sind die B-Modus-Ultraschall-Bilder über eine Ethernet-Verbindung an den PC mit der PIV kommerzielle Software übertragen. Verwendung des PIV-Software, Tracerpartikel Verschiebungsfelder, D (x, y) [Pixel], (wobei x und y horizontale und vertikale räumliche Position in dem Ultraschallbild, jeweils) durch Anlegen Kreuzkorrelation Algorithmen zur aufeinanderfolgenden Ultraschall B-erworbenen Mode-Bilder. 10 Die Geschwindigkeitsfelder, u (x, y) [m / s], werden aus den Verschiebungen Feldern bestimmt, die Kenntnis der Zeitschritt zwischen Bildpaaren, AT [s], und die Bildvergrößerung, M [m / Pixel ], dh, u (x, y) = MD (x, y) / AT. Der Zeitschritt bVergleicht man Bilder AT = 1/fps + D (x, y) / B, wobei B [Pixel / s] ist die Zeit, die für die Ultraschallsonde über die Bildbreite Sweep. In der vorliegenden Studie, M = 77 [&mgr; m / Pixel], fps = 49,5 [1 / s] und B = 25.047 [Pixel / s]. Einmal erworben, können die Geschwindigkeit Bereichen analysiert, um Durchflussmengen von Interesse zu berechnen.
Protocol
Representative Results
Discussion
Das Protokoll für Betreiben eines Echos Teilchenbildanalysator Velocimetry (EPIV)-System in der Lage ist Erfassen zweidimensionale Felder der Geschwindigkeit in optisch opaken Fluide oder durch optisch opaken Geometrien beschrieben wurde. Praktische Anwendung EPIV ist für die Untersuchung von biologischen und industriellen Flusssystem wo die Strömung von Fluiden opaken tritt in sehr vielen Anwendungen gut geeignet. Der besondere hier vorgestellte System wurde gebaut, um gezielt die Fließeigenschaften des verflüssig…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Die Autoren danken Unterstützung durch die National Science Foundation, CBET0846359, gewähren 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
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