Echo Velocimetry Particle Image
Summary
Ett eko partikel bild Velocimetry (EPIV) system som kan förvärva tvådimensionella områden hastighet i optiskt opaka vätskor eller genom optiskt opaka geometrier beskrivs, och validering mätningar i rör flödet redovisas.
Abstract
Transporten av massa, rörelsemängd och energi i vätska strömmar slutligen bestäms av Spatiotemporal fördelningar av fluidhastigheten fältet. 1 således en förutsättning för att förstå, förutsäga och kontrollera strömmar är förmågan att mäta hastigheten fältet med tillräcklig rumslig och temporal upplösning. 2 för hastighet mätningar i optiskt opaka vätskor eller genom optiskt opaka geometrier, eko partikel bild Velocimetry (EPIV) är en attraktiv diagnostisk teknik för att generera "momentana" tvådimensionella områden hastighet. 3,4,5,6 I detta papper, drift protokollet för ett EPIV system byggt genom att integrera en kommersiell medicinsk ultraljud maskin 7 med en dator som kör kommersiell velocimetry partikel bild (PIV) programvara 8 beskrivs och mätningar validering i Hagen-Poiseuilles (dvs. laminärt rör) flödet redovisas .
För EPIV åtgärdenment, är en fasstyrd sond ansluten till den medicinska maskinen ultraljud används för att generera en tvådimensionell ultraljudsbild genom pulsning de piezoelektriska sondelement vid olika tidpunkter. Varje sondelement sänder en ultraljudspuls i vätskan, och spårämnesförsök partiklar i fluiden (antingen naturligt förekommande eller ympade) återspeglar Ultraljudsekon tillbaka till sonden, där de registreras. Amplituden av de reflekterade ultraljudsvågorna och deras tidsfördröjning i förhållande till sändning används för att skapa vad som kallas B-mod (ljusstyrka) tvådimensionella ultraljudsbilder. Specifikt, är tidsfördröjningen som används för att bestämma positionen av spridaren i vätskan och amplituden används för att tilldela intensitet till spridaren. Den tid som krävs för att få en enda B-mode bilden, t bestäms av den tid det tar att pulsera samtliga delar av fasstyrda sonden. För att förvärva flera B-mode bilder, Bildhastigheten av systemet i bildrutor per sekund (fps) = 1 / & deLTA, t. (Se 9 för en genomgång av ultraljudsundersökningar.)
För en typisk EPIV experiment är bildfrekvensen mellan 20-60 fps beroende på flödesförhållanden och 100-1000 B-mode bilder av den geografiska fördelningen av spårämnet partiklarna i flödet förvärvas. Väl förvärvat är B-mode ultraljudsbilder överförs via en Ethernet-anslutning till dator med PIV kommersiell programvara. Med hjälp av PIV programmet, spårämne partikel fält förskjutning, D (x, y) [pixel], (där x och y betecknar horisontell och vertikal rumsliga position i ultraljudsbilden, respektive) förvärvas genom att korskorrelation algoritmer successiva ultraljud B- läget bilder. 10 Hastigheten fält, u (x, y) [m / s], bestäms från förskjutningar fälten veta tidssteg mellan bildpar, AT [s], och förstoringsgraden, M [m / pixel ], dvs, u (x, y) = MD (x, y) / AT. Tiden steg between bilder AT = 1/fps + D (x, y) / B, där B [pixlar / s] är den tid det tar för ultraljudssonden att svepa över bildens bredd. I den aktuella studien, M = 77 [im / pixel], fps = 49,5 [1 / s], och B = 25.047 [pixlar / s]. Väl förvärvat kan hastigheten fält analyseras för att beräkna flödet mängder av intresse.
Protocol
Representative Results
Discussion
Rörelseresultatet protokoll för en eko partikel bild velocimetry (EPIV) system som kan förvärva tvådimensionella områden hastighet i optiskt ogenomskinliga vätskor eller genom optiskt ogenomskinliga geometrier beskrevs. Praktisk tillämpning av EPIV lämpar sig väl för studier av industriella och biologiska flödessystem, där flödet av ogenomskinliga vätskor sker i väldigt många program. Det särskilda systemet som presenteras här var målmedvetet byggt för att studera flödesegenskaperna hos flytande bi…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner tacksamt stöd av National Science Foundation, CBET0846359 bevilja bildskärm 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).
