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La revolución de la tecnología de seguimiento de partículas en 3D: ¿Cómo capturar los secretos de la turbulencia con imágenes en 3D?
Comprender el comportamiento de los flujos turbulentos es un desafío importante en el estudio de la mecánica de fluidos. Los métodos tradicionales de medición de fluidos a menudo no proporcionan una resolución espacial y temporal adecuada. Sin embargo, con el desarrollo de la tecnología de seguimiento de partículas en 3D (3D-PTV), los científicos ahora pueden obtener nuevos conocimientos sobre las propiedades dinámicas de la turbulencia. Esta técnica se desarrolló originalmente para estudiar flujos completamente turbulentos y ahora se utiliza en una variedad de campos, como la investigación en mecánica estructural, la medicina y los entornos industriales.
El núcleo de la tecnología de seguimiento de partículas en 3D reside en su diseño experimental único, que incluye una configuración estereoscópica de un sistema multicámara y un volumen de observación iluminado tridimensionalmente.
A diferencia de la velocimetría de imágenes de partículas (PIV) tradicional, la 3D-PTV rastrea el movimiento tridimensional de partículas individuales en el proceso de flujo y utiliza el método lagrangiano para obtener la velocidad instantánea y la distribución de vorticidad. Este método permite a los científicos obtener densidades de datos de hasta 10 vectores de velocidad por centímetro cúbico en un instante. Esto significa que los investigadores pueden registrar con precisión el movimiento de partículas diminutas en un fluido, incluso en entornos turbulentos.
En la implementación de 3D-PTV, normalmente se utilizan de dos a cuatro cámaras digitales para registrar sincrónicamente el comportamiento del fluido. El fluido se ilumina mediante un haz paralelo de luz láser u otra fuente de luz que parpadea alternativamente en sincronía con la velocidad de captura de la cámara, "congelando" así el objetivo óptico en cada cuadro. De esta manera se puede capturar con precisión la posición de las partículas en el flujo en cada momento y obtener una trayectoria tridimensional detallada.
Las coordenadas de las partículas 3D cambian con el tiempo y se determinan analizando cada conjunto de imágenes utilizando técnicas de imágenes y fotogrametría, lo que permite rastrear y analizar el movimiento de las partículas.
Además, la tecnología 3D-PTV también puede realizar análisis estadístico para proporcionar una descripción lagrangiana del campo de velocidad relativo a la turbulencia, lo cual es crucial para comprender el comportamiento de varios flujos en un fondo turbulento. La ventaja de esta tecnología es que puede proporcionar un soporte de datos preciso y confiable, ya sea sobre comportamiento estructural en pruebas de resistencia de materiales o dinámica de fluidos en biomedicina.
Actualmente se han identificado varias soluciones 3D-PTV. En aplicaciones especiales, el uso eficaz de sistemas de tres o cuatro cámaras puede mejorar significativamente la precisión del posicionamiento tridimensional. Además, con la ayuda de la tecnología de procesamiento de imágenes en tiempo real, como los chips FPGA en las cámaras, se pueden reducir aún más los costos generales y los problemas de seguridad, lo que genera resultados de análisis de datos más rápidos.
Utilizando la tecnología 3D-PTV, los científicos pueden mover partículas individuales y capturar su comportamiento en un entorno completamente turbulento.
En resumen, la tecnología de seguimiento de partículas en 3D proporciona una nueva perspectiva para el estudio de la dinámica de fluidos, promoviendo así mejoras e innovaciones en diversos campos de aplicación. En el futuro, a medida que la tecnología se desarrolle más, podremos comprender con mayor claridad los comportamientos complejos de los fluidos e incluso revelar más fenómenos naturales que aún no se han descubierto. Ante unas características de flujo cada vez más complejas, ¿qué posibles direcciones de investigación cree usted que podemos seguir?
