Particle Image Velocimetry (PIV) - Cos'è e come funziona

Che cos'è la tecnica PIV e come funziona | Aerodinamica Innovativa

Che cos'è la Velocimetria a immagine di particelle?

Velocimetria a immagine di particelle (abbreviato in PIV) è un metodo ottico per misurare il campo di moto di un fluido. Fornisce, in un sezione specifica del flusso, la proiezione del campo del vettore velocità istantanea sulla sezione stessa. È possibile trovare un laboratorio che esegua la PIV -qui-.

Come funziona la PIV (velocimetria a immagine di particelle)?

Il flusso viene inseminato con particelle traccianti ("seeds") con densità il più possibile simile a quella del fluido da studiare, in modo da seguirne il moto il più fedelmente possibile. A questo punto la sezione da esaminare si illumina con due impulsi di luce laser consecutivi e ravvicinati, che vengono convertiti da un'apparecchiatura ottica in lame di luce. Le particelle rifrangono la luce, che viene catturata da una telecamera con l'aiuto di un sincronizzatore. In questo modo si ottengono due immagini della posizione delle particelle in due istanti diversi, vicini tra loro. Dal confronto tra le due immagini otteniamo il campo dello spostamento vettoriale delle particelle sul piano della lama di luce. Supponendo che le particelle di seeding siano state scelte correttamente, le particelle avranno seguito il moto del fluido, per cui dividendo lo spostamento per l'intervallo di tempo Δt che intercorre tra il rilevamento della prima e della seconda immagine, si ottiene il campo di velocità del flusso, che sarà tanto più vicino alla velocità istantanea quanto più Δt è piccolo.

Quali sono i problemi legati al metodo della velocimetria a immagine di particelle?

I problemi principali riguardano la concentrazione di particelle ('seeds'), la non bidimensionalità del campo di moto e la scelta dell'intervallo di tempo.

Se la concentrazione è bassa,infatti, è facile seguire le particelle tra le due immagini, ma la descrizione del campo di moto non è esaustiva:ci saranno troppo pochi punti in cui la velocità è nota. Se invece la concentrazione è elevata, è difficile identificare le particelle nelle immagini, anche con l'aiuto di un software. Con una concentrazione media, in ogni caso, non è possibile seguire le particelle a occhio nudo, quindi per ottenere lo spostamento le immagini vengono divise in finestre più piccole, dette "finestre di interrogatorio", tanti quanti sono i punti di cui si vuole conoscere la velocità, e viene elaborato con algoritmi di autocorrelazione o cross-correlazione.

Se esiste una componente non trascurabile della velocità in una direzione ortogonale al piano del laser, il PIV non rileva questa componente e, oltre a problemi di parallasse che distorcono la velocità registrata, alcune delle particelle, nel tempo che intercorre tra le due immagini, potrebbe sfuggire dalla sottile area illuminata dal laser.

PIV e post-elaborazione.

La scelta dell'intervallo di tempo è decisiva in questo senso: se è troppo lungo, la probabilità che le particelle escano dal laser e non vengano quindi riprese nella seconda immagine è elevata. Inoltre, anche nel caso di un flusso bidimensionale, se l'intervallo è troppo lungo, si verifica una perdita di informazioni tra le due immagini e la velocità ottenuta è una velocità media che non può più essere assimilata alla velocità istantanea. D'altro canto, se l'intervallo è eccessivamente breve, la velocità è troppo piccola e i disturbi dovuti al "rumore" e alla correlazione imperfetta tra le coppie di finestre diventano predominanti rispetto allo spostamento reale stesso, come effetto si ha un intervallo di velocità che non corrisponde a quello reale. Il valore di Δt è dell'ordine di ∼10 µs.

PIV, SPIV e PIV tomografica.

Esistono anche metodi derivati direttamente dalla PIV che consentono di misurare tutte e tre le componenti del campo di velocità. I principali sono PIV stereoscopica (o PIV o SPIV stereo) e tomografico PIV (o tomo PIV).

Velocimetria stereoscopica a immagine di particelle: SPIV.

La PIV stereo opera sempre su un piano predeterminato che è quello della lama di luce, come la PIV semplice. Per ricostruire il vettore velocità del flusso sul piano in modo tridimensionale, questa tecnica sfrutta lo stesso principio utilizzato dai nostri occhi per percepire la profondità a cui si trovano gli oggetti.Si prendono due coppie di immagini con due telecamere distanziate e/o inclinate l'una rispetto all'altra, avendo così due proiezioni di un vettore a tre componenti su due piani distinti, cioè i piani immagine delle due telecamere. Tramite applicazione di algoritmi di ricostruzione geometrica, si torna alla velocità tridimensionale. I problemi principali, oltre a quelli della semplice PIV, nascono per ragioni di prospettiva e riguardano l'elaborazione delle immagini catturate dalle telecamere per poter ottenere immagini su cui applicare la ricostruzione geometrica.

Velocimetria tomografica a immagine di particelle: tomo PIV.

Il tomo PIV, al contrario, opera su un volume e misura le tre componenti del vettore velocità nell'intero volume considerato. Questa tecnica si basa sullo stesso principio della PIV semplice, ma allargata a 3 dimensioni. Il L'intero volume viene illuminato con due impulsi laser a breve ritardo e il movimento delle particelle viene misurato con un numero qualsiasi di telecamere. In questo caso, sorgono grandi difficoltà nel localizzare univocamente le particelle, poiché, non conoscendo la loro posizione in direzione ortogonale al piano dell'immagine di ciascuna telecamera, le proiezioni delle numerose particelle possono sovrapporsi. Una conseguenza tipica è la generazione di "particelle fantasma", inesistenti nella realtà ma ricreati dal software per la ricostruzione delle particelle proprio per questo.