Ekko Particle Bilde Velocimetry

Summary

Et ekko partikkel bilde velocimetry (EPIV) system som kan skaffe todimensjonale felt av hastighet i optisk ugjennomsiktig væske eller gjennom optisk ugjennomsiktig geometrier er beskrevet, og validering målinger i pipe flyt er rapportert.

Abstract

Transporten av masse, moment og energi i væsken flyter er siste instans bestemmes av Spatiotemporal distribusjoner av væska feltet. ¹ Følgelig en forutsetning for å forstå, forutsi og kontrollere væske flyter er evnen til å måle hastigheten feltet med adekvat romlig og tidsoppløsning. ² for hastighet målinger i optisk opake fluider eller gjennom optisk ugjennomsiktige geometrier, echo partikkel image velocimetry (EPIV) er et attraktivt diagnostisk teknikk for å generere "momentant" todimensjonale felt av hastighet. ^3,4,5,6 I dette papir, drift protokoll for et EPIV system bygget ved å integrere en kommersiell medisinsk ultralyd maskin ⁷ med en PC som kjører kommersiell partikkel bilde velocimetry (PIV) programvare ⁸ er beskrevet, og validering målinger i Hagen-Poiseuille (dvs. laminær pipe) flyt rapporteres .

For EPIV tiltaketmenter, er en faserettet sonde koblet til medisinsk ultralyd maskinen brukes til å generere en to-dimensjonal ultralydbildet ved pulsing de piezoelektriske probe elementene til forskjellige tider. Hver sonde element sender en ultralydpuls inn i fluidet, og tracer partikler i fluidet (enten naturlig forekommende eller sådd) reflekterer ultralyd ekko tilbake til sonden hvor de blir registrert. Amplituden av de reflekterte ultralydbølger og deres tid forsinkelse i forhold til overføring blir brukt til å lage det som er kjent som B-modus (lysstyrke) todimensjonale ultralydbilder. Spesifikt tidsforsinkelse brukes til å bestemme posisjonen av scatterer i fluidet og amplituden brukes til å tildele intensitet til scatterer. Den nødvendige tid for å oppnå en enkelt B-mode bilde, t, bestemmes av den tid det tar å pulsere alle elementene i det fasede rekkesystemet sonde. For å skaffe flere B-mode bilder, bildefrekvens på systemet i rammer per sekund (fps) = 1 / & deLTA, t. (Se 9 for en gjennomgang av ultralyd.)

For en typisk EPIV eksperiment, er bildefrekvensen mellom 20-60 fps, avhengig strømningsforhold, og 100-1000 B-mode bilder av den romlige fordelingen av sporstoffet partikler i flyten blir kjøpt. Når kjøpte, er B-mode ultralyd bildene overføres via en ethernet-tilkobling til PC som kjører PIV kommersiell programvare. Bruke PIV programvaren tracer partikkelforflytningen felt, D (x, y) [piksler], (der x og y betegner horisontale og vertikale romlige posisjon i ultralydbildet, henholdsvis) er ervervet ved å anvende krysskorrelasjon algoritmer til suksessiv ultralyd B- mode bilder. ¹⁰ De bremses felt, u (x, y) [m / s], bestemmes fra forskyvninger feltene, vel vitende om tid steg mellom bilde parene, DT [s], og bildet forstørrelse, M [meter / pixel ], dvs, u (x, y) = MD (x, y) / aT. Klokka trinn between images aT = 1/fps + D (x, y) / B, hvor B [piksler / S] er tiden det tar for ultralydprobe å feie over bildebredden. I denne studien, M = 77 [mikrometer / pixel], fps = 49,5 [1 / s], og B = 25047 [piksler / s]. Gang ervervet, kan hastighetsverdiene feltene bli analysert for å beregne flyt mengder av interesse.

Protocol

1. Lag en målbar Flow EPIV validering målinger vil bli demonstrert i pipe flyt av en glyserin vannløsning (50% glycerol – 50% vann). En skjematisk av eksperimentelle oppsettet er vist i figur 1. Hule glasskuler med en nominell diameter på 10 um tilsettes til fluidet i en konsentrasjon på omtrent 17 vektdeler per million. De hule glasskuler tjene som ultralyd kontrastmidler, og deres størrelse og tetthet er valgt slik at de passivt følger fluidstrømmen. 10 <li…

Representative Results

En umiddelbar ekko partikkel image velocimetry (EPIV) vektor-feltet er vist i figur 3.. Vektoren plottet viser velocity vektorer hver fjerde kolonne og bakgrunnsfarge konturkart tilsvarer størrelsen på hastigheten. Et ensemble middeltall vektor tomten gjennomsnitt over 1000 momentant EPIV vektor plott er vist i figur 4. Konsistent med pipe flyt, hastighetsverdiene vektorer er hovedsakelig i strømvis retning, de største hastigheter oppstå ved røret senterlinjen og hastighetene redu…

Discussion

Den opererer protokoll for et ekko partikkel bilde velocimetry (EPIV) systemet i stand anskaffe todimensjonale felt av hastighet i optisk opake fluider eller gjennom optisk opake geometrier ble beskrevet. Praktisk anvendelse av EPIV er velegnet for studiet av industrielle og biologiske strømningssystemer, hvor strømningen av ugjennomsiktig væsker oppstår i svært mange søknad. Den spesielle systemet som presenteres her ble målbevisst bygget for å studere strømningsegenskapene av flytende biomasse fluider som bru…

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