Echo Particle Image Velocimetry
Summary
Een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat in staat de overname van twee-dimensionale velden van snelheid in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën wordt beschreven, en validatie metingen in pijpstroming worden gerapporteerd.
Abstract
Het transport van massa, impuls en energie in fluïdumstromen wordt uiteindelijk bepaald door spatiotemporele verdelingen van de vloeistofsnelheid veld. 1 Dientengevolge, een voorwaarde voor het begrijpen, voorspellen en beheersen vloeistofstromingen is de mogelijkheid om de snelheid te meten veld met voldoende ruimtelijke en temporele resolutie. 2 Voor snelheidsmetingen in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën, echo particle image velocimetry (EPIV) is een aantrekkelijke diagnostische techniek om "momentele" twee-dimensionale velden van snelheid te genereren. 3,4,5,6 In deze papier, de operationele protocol voor een EPIV systeem gebouwd door de integratie van een commerciële medische echografie-machine 7 met een pc met commerciële particle image velocimetry (PIV) software 8 wordt beschreven, en validatie metingen in Hagen-Poiseuille (dat wil zeggen, laminaire pijp) stroming zijn gerapporteerd .
Voor de maatregel EPIVgen wordt een phased array probe aangesloten op het medisch ultrageluid machine gebruikt om een tweedimensionaal beeld te genereren ultrasone pulsen door de piëzo-elektrische elementen probe op verschillende tijdstippen. Elke probe element zendt een ultrasone golven in de vloeistof en tracer in het medium (hetzij van nature voorkomende of gezaaid) tijdens ultrasone echo's naar de sonde waar deze zijn opgenomen. De amplitude van de teruggekaatste ultrasone golven en de vertraging ten opzichte van transmissie zijn er om zogenaamde B-mode (helderheidsmodus) tweedimensionale echo's. Specifiek wordt de tijdvertraging gebruikt om de positie van de verstrooier bepalen de vloeistof en de amplitude wordt gebruikt om de intensiteit toewijzen aan de verstrooier. De tijd nodig om een B-modebeeld, t, verkregen wordt bepaald door de tijd te nemen om alle elementen van het phased array proefpuls. Voor het verwerven van meerdere B-modus beelden, de frame rate van het systeem in frames per seconde (fps) = 1 / & deLTA; t. (Zie 9 voor een herziening van echografie.)
Voor een typisch experiment EPIV, de framesnelheid 20-60 fps, afhankelijk stromingscondities en 1-100 B-modus beelden van de ruimtelijke verdeling van de tracer deeltjes in de stroom worden verkregen. Eenmaal verworven, worden de B-mode echografie beelden die via een Ethernet-verbinding met de PC waarop de PIV commerciële software. Met de PIV software, tracer deeltje verplaatsingsvelden, D (x, y) [pixels] (waarbij x en y de horizontale en verticale ruimtelijke positie in het ultrasone beeld respectievelijk) worden verkregen door toepassing kruiscorrelatiewaarde algoritmen opeenvolgende echo B- weergavebeelden. snelheidsvelden 10, u (x, y) [m / s], bepaald uit de verplaatsingen velden, te weten de tijd tussen stap beeldparen, AT [s] en de vergroting, M [meter / pixel ], dus u (x, y) = MD (x, y) / AT. De tijd stap between beelden AT = 1/fps + D (x, y) / B, waarbij B [pixels / s] de tijd die de ultrasone sonde te vegen over de beeldbreedte. In de huidige studie, M = 77 [micrometer / pixel], fps = 49,5 [1 / s] en B = 25.047 [pixels / s]. Eenmaal verkregen, kan de snelheid velden worden geanalyseerd flowhoeveelheden plaats berekenen.
Protocol
Representative Results
Discussion
De operationele protocol voor een echo particle image velocimetry (EPIV) systeem dat in staat de overname van twee-dimensionale velden van snelheid in optisch ondoorzichtige vloeistoffen of via optisch ondoorzichtige geometrieën werd beschreven. Praktische toepassing van EPIV is zeer geschikt voor de studie van industriële en biologische stroomsystemen, waar de stroom van vloeistoffen ondoorzichtige komt in vele toepassing. Het specifieke systeem hier gepresenteerde werd doelbewust gebouwd om de vloei-eigenschappen va…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs zijn zeer erkentelijk ondersteuning door de National Science Foundation, CBET0846359, subsidie-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).
