Pattern-Based Phase-Separation of Tracer and Dispersed Phase Particles in Two-Phase Defocusing Particle Tracking Velocimetry
Institute of Fluids Mechanics (ISTM), Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Kaiserstraße 10, 76131 Karlsruhe, Germany（流体力学研究所（ISTM），卡尔斯鲁厄理工学院（KIT））；Karlsruhe Institute of Technology, Institute of Applied and Numerical Mathematics, Karlsruhe, 76133, Germany（卡尔斯鲁厄理工学院，应用与数值数学研究所）
本研究提出基于模式差异和CNN（Faster R-CNN、YOLOv4）的散焦粒子图像测速相位分离方法，结合GAN生成训练数据，在六个数据集上实现95-100%的检测与分类精度，验证了其可行性。
2025-06-22 cs.CV physics.app-ph physics.flu-dyn
Visualization of the flow profile inside a thinning filament during capillary breakup of a polymer solution via particle image velocimetry (PIV) and particle tracking velocimetry (PTV)
研究了聚合物溶液在变薄毛细管桥中的流动特性。使用直径为3 $μ$ m的荧光示踪剂颗粒使流动可视化。灯丝的圆柱形形状引入了可以校正的强光学像差，并且我们能够表征厚度范围为150至30 $μ$ m的灯丝中的流动。在第一个政权时，细丝仍然是足够大的，我们使用PIV算法推导流场。在后期阶段，当观察平面中的粒子数量减少时，使用PTV算法。我们测量的两个主要结果如下。首先，在圆柱形长丝形成时的流动轮廓是高度不均匀的，并且仅在长丝的外部部分中存在流动。第二，我们发现，在大部分地区的制度，其中的时间半径的变薄细丝可以拟合指数律的流动确实是纯粹的拉伸。
2012-05-02 physics.flu-dyn
Fiber Tracking Velocimetry for two-point statistics of turbulence
我们提出并验证了一种新的实验技术来测量两点统计的湍流。它包括在流动中散布刚性纤维并及时跟踪它们的位置和方向，因此被命名为“纤维跟踪速度测量法”（FTV）。通过选择不同的纤维长度，即在惯性或耗散尺度范围内，可以通过简单地测量其两端的纤维速度并将其沿纤维横向投影来精确地探测所选长度尺度处的湍流波动的统计。通过完全解析的直接数值模拟和实验，我们表明，这些基于纤维的横向速度增量是统计等效的（未扰动）流横向速度增量。此外，我们表明，湍流能量耗散率可以准确地测量利用足够短的纤维。该技术已被测试对标准粒子跟踪测速（PTV）的流动示踪剂具有良好的协议。我们的技术克服了众所周知的问题PTV探测两点统计可靠，因为快速相对扩散的湍流，防止粒子之间的相互距离保持恒定的感兴趣的长度尺度。这个问题，使得它很难获得收敛的统计数据为一个固定的分离距离，甚至更戏剧性的开放领域的自然流动。一个突出的例子是洋流，其中漂流物（即~现场测量中使用的示踪粒子对应物）迅速分散，但同时必须限制它们的数量以节省成本。我们的实验室实验的启发，我们提出了一个可行的选择，以解决这个问题的连接的漂移对。
2021-07-13 physics.flu-dyn
Lagrangian acceleration of passive tracers in statistically-steady rotating turbulence
用粒子跟踪测速技术研究了定常旋转湍流中被动示踪剂的拉格朗日加速度矢量的统计特性。背景旋转的直接影响是平行于（垂直）旋转轴的高加速度事件的抑制，水平加速度的高加速度事件的增强，以及垂直于旋转矢量Ω和本地速度矢量u的加速度分量的自相关的强烈放大。由Ω和u建立的平面中的加速度分量的自相关性仅略微增强。
2013-07-26 physics.flu-dyn
Refractive index matching (RIM) using double-binary liquid-liquid mixtures
在过去的十年中，微观多相流得到了广泛的关注。准确理解潜在的流体动力学相互关系是成功的反应器布局和反应控制的关键。为了检查局部流体动力学行为，非侵入式光学测量技术，如粒子跟踪测速（PTV）或（微）粒子图像测速（（\textmu）PIV）是首选的方法，因为它们提供了具有出色空间分辨率的精确速度测量。这种光学方法需要所涉及的流动相的折射率匹配（RIM），以防止由于界面处的光折射和反射而导致的光学畸变。已建立的RIM方法通常提供足以单独匹配流动相的RI的单个一个自由度。由此，材料特性（$Oh$数）是固定的，并且相关的无量纲数（$Ca$、$Re$）仅可以流体动力学地或几何地改变。为了避免膨胀的几何缩放的微通道，我们提出了一种方法，使用两个二元混合物（双二元混合物），引入一个额外的自由度。该方法允许在不同速度下检查液-液两相流，同时能够改变材料组合（$Oh$ -编号）。因此，可以单独选择$Ca$和$Re$，RIM提供不受干扰的光纤接入。我们提出了4种不同的二元混合物，例如泰勒液滴。相关的材料参数成功地与测量数据相关联，从而提供了一个方程组，该方程组确定了质量分数和速度，以分别解决$Re$和$Ca$。利用\textmu PIV原始图像成功地建立了所提出的双二进制混合RIM方法的原理证明。
2019-05-07 physics.flu-dyn
Luminescent and absorptive metal-coated emulsions for micro-velocimetry
在过去的几十年中，荧光乳胶珠已被广泛用作微流体中的示踪剂。它们具有与水密度匹配和使用荧光显微镜容易定位的优点。我们最近合成了银涂层的油滴，这是发光和吸收，首先涂层的油界面与聚多巴胺层，然后沉积银层的氧化还原过程。它们的平均直径为6 μm，通过调节金属层的厚度，它们的密度与水的密度相匹配。在这项工作中，我们使用这些颗粒作为示踪剂来测量水流在PDMS微通道中的速度分布，该微通道具有矩形横截面，这使我们能够确认斯托克斯方程的预测，其结果与常见的亚微米聚苯乙烯颗粒的结果相当。
2016-01-19 cond-mat.soft physics.chem-ph physics.flu-dyn
Molecular Tagging Velocimetry in Superfluid Helium-4: Progress, Issues, and Future Development
超流相氦-4（He II）是一种双流体系统，具有迷人的量子流体力学，具有重要的科学和工程应用。然而，缺乏高精度的流量测量工具，在他二阻碍了理解和利用其流体动力学的进展。近年来，人们在发展适用于He II的定量流动显示技术方面做出了广泛的努力。特别是，一个强大的分子标记测速（MTV）技术，基于跟踪细线的He $^*_2$准分子通过飞秒激光场电离在氦气中，已在我们的实验室开发。该技术允许在两流体系统中的正常流体速度场的明确的测量。然而，这种技术有两个局限性：1）只能测量垂直于示踪线的速度分量; 2）在确定垂直速度时存在固有误差。在本文中，我们将讨论如何通过改进MTV技术来解决这些问题。我们还讨论了两个新的方案，标记和生产He $^*_2$示踪剂。第一种方法允许在不使用昂贵的飞秒激光的情况下创建标记的He $^*_2$示踪线。第二种方法能够通过跟踪He II中中子- $^3$ He吸收反应产生的He $^*_2$分子的小云团来进行全空间速度场测量。
2020-02-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.other physics.flu-dyn
A single-camera, 3D scanning velocimetry system for quantifying active particle aggregations
一个三维（3D）扫描测速系统的开发，以量化的三维配置的颗粒及其周围的体积，三分量的速度场。该方法使用平移激光片来快速扫描通过感兴趣的体积，并顺序地照射包含接种在流体中的示踪剂和包括感兴趣的聚集体的颗粒的流的切片。这些图像切片由单个高速相机捕获，编码图像时间序列内的第三空间维度的信息。在以前的实施扫描系统已经开发的体积流量量化或3D对象重建，我们评估的可行性，同时完成这些任务与一个单一的相机，可以简化数据收集和分析。该系统的能力，其特点是使用毫米级卤虫（卤虫）诱导垂直迁移的研究。识别和重建的个别游泳机构和迁移聚集内的三维轨迹，实现了目前研究的最大数量密度，$8 \, \times\,10^5$动物每$\textrm{m}^3$。这个数密度与以前类似迁移的深度平均2D测量的密度相当。相应的流速测量表明，该技术是能够解决的三维速度场和周围的游泳聚集。在这些动物数量密度下，观察到迁移诱导的相干流。这些流量测量的准确性在$Re_D = 50$的自由射流单独研究中得到了证实。
2021-02-11 physics.flu-dyn
Schlieren and BOS velocimetry of a round turbulent helium jet in air
无籽测速在许多工业和研究应用中越来越受到关注。我们报告了一项时间分辨光学测速的比较研究，该研究使用传统的镜面型刀口纹影光学器件与背景定向纹影（BOS）对Red = 5，890和11，300的空气中亚音速圆形湍流氦气射流进行测量。以6000帧/秒的速度在大的集合中捕获具有1024像素流向分辨率（0 < x/d < 200）的数字图像。通过使用OpenPIV软件的数字图像相关（DIC）和x-t图的条纹纹影分析（记波法）对这些结果进行测速。有限的PIV数据也收集验证纹影测速结果。BOS和传统纹影显示部分成功测量平均流氦射流自相似性的1/x衰减的中心线速度，高斯形的径向速度分布，和线性扩展率的射流。可视化的湍流涡，作为示踪剂在纹影测速仪，观察到持续时间比在本氦射流为此目的所需的。此外，在某些结果中，测量的对流速度似乎足够稳健，可以与射流平均速度相加。记波法产生更好的整体效果比DIC，我们归因于记波法的时空“频谱”的射流速度，使歧视的快速涡流射流中心线附近的射流周边附近的较慢的。DIC和其他分析方法存在路径平均偏差，这会对结果产生负面影响。减少记录数据的测速手动完成，也通过傅立叶变换图像特征方向代码，两者产生等效的结果。
2022-05-01 physics.app-ph physics.flu-dyn
Experimentally Validated Simulations of 50 μm X-ray PIV Tracer Particles
本研究通过实验验证了BL和MCNP模拟在X射线PIV系统设计中的有效性，发现BL方法计算高效且能预测图像质量，而MCNP精度略高但成本过高，推荐BL用于实际设计。
2022-01-18 physics.flu-dyn physics.ins-det physics.med-ph
A three-dimensional scanning stereoscopic particle image velocimetry for large-volume liquid flows
本文提出一种基于薄旋转棱镜的扫描立体粒子图像测速系统，可在100×100×100 mm³大体积内获取约10⁶个三维三分量速度矢量，并通过射流和上升球体实验验证了其有效性。
2025-07-19 physics.flu-dyn
Combined particle image velocimetry and thermometry of turbulent superstructures in thermal convection
在普朗特数为$Pr = 7$的水介质中，通过受控实验研究了水平延伸的三维Rayleigh-Bénard对流中的湍流超结构。使用具有正方形横截面、纵横比$Γ= l/h = 25$、边长$l$和高度$h$的瑞利-贝纳德单元。考虑了$10^5 < Ra < 10^6$范围内的三种不同的瑞利数。该单元是光学可访问的，使得热致变色液晶可以作为示踪剂颗粒接种，以同时监测温度和速度场在一个大的部分的水平中平面长达6小时的长时间段，对应于大约$10^4$对流自由落体时间单位。立体粒子图像测速和测温的联合应用开辟了评估局部对流热通量场的对流单体的体积，从而分析的特点大规模的运输模式的流动的可能性。与现有的直接数值模拟数据在相同的参数范围内的$Pr, Ra$和$Γ$的直接比较，揭示了相同的超结构模式和全球湍流传热标度$Nu(Ra)$。轻微的定量差异可以追溯到在顶部扩展的水冷玻璃板处的等温边界条件的违反。模式的特征尺度属于相同的尺寸范围，但系统地更大。实验证实，超结构模式是传热的重要支柱。此外，目前的实验，使研究的大规模模式的逐渐演变的时间，这是具有挑战性的大纵横比湍流对流的模拟。
2022-08-02 physics.flu-dyn
Bringing optical fluid motion analysis to the field: a methodology using an open source ROV as camera system and rising bubbles as tracers
详细的水运动学是重要的了解在北极的大气-冰-海洋能量转移过程。边缘冰区二维速度场的现场观测资料很少。粒子跟踪测速和粒子图像测速是用于测量2D速度场的众所周知的实验室技术，但它们通常依赖于脆弱的设备和污染的塑料示踪剂。因此，为了将这些方法带到现场，我们开发了一种新的系统，该系统结合了紧凑的开源远程操作车辆作为成像设备，气泡作为示踪粒子。然后，可以使用针对极地地区的实地测量而调整的图像处理技术来分析所获得的数据。在可控条件下研究了气泡的特性，如终极速度与直径的关系。的精度和传播的速度测量已被量化的波槽，并与理论解决方案进行比较。水平速度分量下的周期波测量精度在10%的顺序。与理论解的偏差归因于加速流动引起的气泡惯性。我们包括一个例子，从北极实地考察，该系统被部署，并成功地从浮冰测试。这项工作是在北极冰层下进行详细的二维流动测量的重要里程碑，我们预计这将有助于对海冰下发生的动态进行急需的直接观测。
2020-12-17 physics.ao-ph physics.flu-dyn
PIV in stratified gas-liquid flow in a horizontal pipe using water droplets as tracers in the gas-phase
采用水滴作为气相示踪剂，对水平管道中分层湍流空气/水流进行了同步粒子图像测速（PIV）测量。使用水滴作为示踪剂确保水的表面张力保持不受影响，从而允许小尺度的界面结构，如毛细波自然发生。实验已进行了31米长，100毫米直径的PVC管使用空气和水作为测试流体。为了验证的实验装置和建议的播种技术，空气和水的单相测量进行了比较，彼此和DNS结果从文献中，显示出非常好的协议。两相测量的平均值和均方根曲线。这些测量提供了一个定性的演示的界面湍流的行为及其与各种界面流模式的相关性。本文中的观察结果与Lakehal等人（2003）的DNS研究得出的结论一致。目前的结果可能最终提供了一个更好的解释，许多重要的现象相关的分层两相流的物理特性，如标量混合相之间，并与其建模的挑战。
2017-01-02 physics.flu-dyn
Applying Laser Doppler Anemometry inside a Taylor-Couette geometry - Using a ray-tracer to correct for curvature effects
在目前的工作中，它将显示如何外圆柱体的曲率影响激光多普勒测速仪测量内的泰勒-库埃特装置。测量位置和测量速度通过曲面改变。曲率校正的传统方法不适用于我们的设置，它将显示如何射线跟踪器可以用来解决这个复杂性。通过使用射线跟踪器，可以计算焦点位置，并且可以校正速度。射线示踪的结果进行了验证，通过测量一个先验已知的速度场，并施加折射修正后，发现与理论预测良好的协议。本文所述的方法被应用于测量高雷诺数泰勒-库埃特流的外圆柱旋转的情况下的方位角速度分布。
2012-03-30 physics.flu-dyn
On the application of refractive index matching to study the buoyancy-driven motion of spheres
Technion Israel Institute of Technology（以色列理工学院）
本研究提出一种融合物理的检测框架，利用折射率匹配技术，首次实现对自由移动球体阻力和升力历史的直接计算。
2025-09-19 physics.flu-dyn
Holographic Astigmatic Particle Tracking Velocimetry
数字同轴全息术（DIH）中双像的形成可以防止将焦平面放置在样本体积的中心，以便使用单个相机进行基于DIH的粒子跟踪测速术（DIH-PTV）。因此，将DIH-PTV应用于大规模实验室设施或许多现场应用中的流量测量是具有挑战性的，否则由于低成本和紧凑的设置，DIH-PTV将是理想的。在这里，我们通过在DIH-PTV的光学设置中插入圆柱透镜来引入全息像散PTV（HAPTV），产生失真全息图。随后在定制的重建算法中利用这种失真来区分位于焦平面的不同侧上的示踪剂，焦平面又可以放置在样本体积的中间。我们的HAPTV方法在高（1 μ m/像素）和低（10 μ m/像素）放大率下进行校准，误差标准偏差分别为4.2 μ m（一个颗粒直径）和120.7 μ m（~5倍颗粒直径）。我们比较了层流射流的速度场，使用HAPTV和传统的PIV来说明该技术的准确性时，应用于实际的流量测量应用。这项工作表明，HAPTV提高了传统的光学PTV的景深，并使基于DIH的PTV的实施原位应用。
2019-11-27 physics.flu-dyn physics.optics
An exploration of Homogeneous Isotropic Turbulence in He II Using Particle Tracking Velocimetry
尽管是一个量子双流体系统，超流氦-4（He II）被观察到在机械力产生的流动时表现出与经典流体相似的行为。考虑到He II的小运动粘度，这种相似性带来了利用He II进行高雷诺数经典湍流研究的可行性。然而，有人建议，在He II在小尺度的非经典耗散机制可能会改变其湍流统计和湍流度。在这项工作中，我们报告了我们的研究，一个几乎均匀的和各向同性的湍流（HIT）所产生的拖曳网格在他II。我们用固体氘粒子作为示踪剂，用粒子跟踪测速技术测量了流场。通过将在不同颗粒轨迹上同时测量的速度或沿相同颗粒轨迹在不同时间测量的速度相关联，我们能够进行欧拉和拉格朗日流动分析。通过欧拉分析得到的空间速度结构函数在惯性子区的标度行为与经典HIT相似，但具有增强的不稳定性。拉格朗日分析使我们能够检查流量统计到耗散长度尺度以下。有趣的是，强烈偏离经典的标度行为观察到在这一制度。我们将讨论这些偏差可能与量子化的旋涡在超流分量在他II的运动。
2020-04-12 cond-mat.other physics.flu-dyn
Seeding optimization for instantaneous volumetric velocimetry. Application to a jet in crossflow
基于示踪剂（颗粒、气泡等）的每一体积测速测量检测可能受到光学屏蔽现象的强烈影响。当与粒子探测和跟踪算法的性能相关的统计特性受到显著影响时，必须考虑到这一点。它会导致图像中粒子的最大浓度，从而限制了瞬时三维三分量（3D 3C）速度场的最终空间分辨率。基于散焦数字粒子图像测速技术的体积测速系统表明，当图像中粒子的视觉浓度超过临界值时，最终的瞬时原始速度矢量场的浓度和精度下降。临界浓度取决于物理参数以及处理算法。确定了三种不同的制度。在第一个政权，浓度是很好地适应体积测速，最大的浓度是最佳的，以最大限度地提高有效的速度矢量的数量。在第二种情况下，检测和跟踪算法的性能不再是最佳的。最后，第三个政权是强烈影响的光学屏蔽。提出了一种严格的方法来优化体积测量，同时考虑到系统规格（像素大小，焦距，系统放大率等）。找到了最佳粒子浓度为0.045粒子/像素（ppp），并得到了全内插瞬时速度场成像浓度与最佳最终空间分辨率之间的关系。该研究为实现具有良好空间分辨率的瞬时三维速度场测量提供了指导。最后将其成功地应用于一个复杂的三维流动测试案例：横流中的射流。
2014-07-25 physics.flu-dyn physics.ins-det physics.optics
Volumetric Particle Tracking Velocimetry (PTV) Uncertainty Quantification
我们介绍了第一个全面的方法来确定体积粒子跟踪测速（PTV）测量的不确定性。体积PTV是一种最先进的非侵入式流量测量技术，它通过使用多摄像机设置记录示踪粒子运动的连续快照来测量速度场。测量链涉及使用校准的相机映射函数通过三角测量过程重建三维颗粒位置。在迭代自校准校正和粒子重建步骤期间的元素误差源的非线性组合增加了任务的复杂性。在这里，我们首先估计粒子图像位置的不确定性，我们将其建模为粒子位置估计不确定性和重投影误差不确定性的组合。后者是通过高斯拟合子体积内的视差估计的直方图来获得的。接下来，我们确定相机校准系数中的不确定性。作为最后一步，使用通过体积重建过程的不确定性传播来组合前两个不确定性。速度矢量的不确定性直接作为重构粒子位置不确定性的函数获得。该框架进行了测试与合成涡环图像。结果表明，预测和预期的RMS不确定度值之间的良好协议。在0.01至0.1颗粒/像素范围内测试的接种密度的预测是一致的。最后，该方法也成功地验证了层流管流速度剖面测量的实验测试情况下，预测的不确定性是在17%的RMS误差值。
2019-11-28 eess.IV physics.flu-dyn
Evidence for spontaneous arrangement of two-way flow in water bridge via particle image velocimetry
本研究通过粒子图像测速法等手段，发现百年经典问题中的水桥实为两股带不同电荷的反向同轴流，揭示了其自发排布机制与通量差异，为微型软壁流动研究提供了天然反例。
2023-07-25 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Learning Pore-scale Multiphase Flow from 4D Velocimetry
Department of Earth Science and Engineering, Imperial College London（帝国理工学院伦敦地球科学与工程系）；Department of Geology, Ghent University（根特大学地质系）；Department of Energy Science and Engineering, Stanford University（斯坦福大学能源科学与工程系）；Department of Computer Science, Yale University（耶鲁大学计算机科学系）；NVIDIA
本文提出一种多模态学习框架，通过4D微速度测距数据直接推断多相孔隙流，结合图网络模拟和3D U-Net，实现快速预测，为地下碳和氢存储提供高效工具。
2026-03-12 cs.LG physics.flu-dyn
A cryogenic-helium pipe flow facility with unique double-line molecular tagging velocimetry capability
低温氦-4具有非常小的动力粘度，这使其成为在紧凑的实验室装置中进行高雷诺数（$Re$）湍流研究的有前途的材料。在其超流体相（He II）中，氦具有非凡的传热能力，并已被用于各种科学和工程应用。为了充分发挥氦在湍流研究中的潜力，并提高我们对He II传热机制的理解，需要一种能够定量研究氦传热传质过程的流动设备。在这里，我们报告我们的工作，组装和测试一个独特的氦管流设施，采用了一种新的双线分子跟踪测速（DL-MTV）系统。这个流动设施允许我们产生湍流管流与$Re$以上$10^7$，它也可以适应于产生热诱导的逆流在He II。DL-MTV系统是基于两条平行的He $^*_2$分子示踪线的产生和跟踪，其间距可调，使我们不仅可以测量速度剖面，而且可以测量横向和纵向的空间速度结构函数。我们还安装了一个差动压力传感器的压力下降测量的流量管道。给出了流动装置和测量装置的试验结果。我们将讨论如何使用该设备来解决氦传热传质领域中的一些突出问题。
2020-03-16 cond-mat.other physics.flu-dyn physics.ins-det
Neural refractive index field: Unlocking the Potential of Background-oriented Schlieren Tomography in Volumetric Flow Visualization
School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiao Tong University（上海交通大学机械工程学院）；School of Engineering, University of Edinburgh（爱丁堡大学工程学院）
针对背景导向纹影层析成像（BOST）基于体素网格的缺陷，提出神经折射率场（NeRIF）方法，通过神经网络隐式表示流场，提升重建精度、分辨率并降低成本，且可适配多种层析模式。
2024-11-26 cs.HC cs.LG physics.flu-dyn
X-ray particle tracking velocimetry for steady-state rheological characterization: Case study of a complex polymer melt flow in material extrusion additive manufacturing
University of Stuttgart（斯图加特大学）；University of Milan（米兰大学）；CNR – Consiglio Nazionale delle Ricerche, Istituto di Chimica della Materia Condensata e di Tecnologie per l’Energia（意大利国家研究委员会凝聚态材料与能源技术研究所）
本研究提出X射线粒子跟踪测速技术（XPTV），通过示踪粒子与定制装置结合，首次用于解析FFF打印机喷嘴内聚合物熔体的速度场与流变特性，结合模拟验证其有效性，填补传统光学方法的空白。
2025-11-11 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Meshless Super-Resolution of Scattered Data via constrained RBFs and KNN-Driven Densification
Universidad Carlos III de Madrid（马德里卡洛斯三世大学）；von Karman Institute for Fluid Dynamics（冯·卡门流体力学研究所）
本文提出一种无网格方法，结合KNN PTV、无网格POD和约束RBFs，通过统计相干性提升流场分辨率，实现更准确的物理一致重建。
2026-01-22 physics.flu-dyn
Uncertainty amplification due to density/refractive-index gradients in volumetric PTV and BOS experiments
通过推导二维质心估计过程的Cramer-Rao下限，从理论上分析了密度/折射率梯度对体积粒子跟踪测速（V-PTV）和背景定向纹影（BOS）实验测量精度的影响.通过包含密度梯度的介质观察到的颗粒或点的衍射极限图像的模型推导出，该模型包括各种实验参数（例如颗粒深度、观察方向和f数）的影响。使用该模型，我们表明，在密度梯度场的非线性导致模糊的颗粒/点的图像。这种模糊放大了图像噪声对质心估计过程的影响，导致CRLB增加和测量精度下降。参考图像和梯度图像中的点的位置不确定性的比率是点直径和点强度的比率的函数。我们这个参数的放大比（AR），我们提出了一种方法来估计基于跟踪的BOS测量的位置不确定性。粒子/点的位置估计方差从CRLB的理论预测相比，光线跟踪模拟具有良好的一致性。的不确定性放大也表现在实验的BOS图像的流诱导的火花放电，在那里我们表明，高放大率的区域对应的区域的密度梯度。该分析阐明了位置误差对密度和折射率梯度引起的畸变参数的依赖性，提供了一种方法来计算其对不确定性量化的影响，并提供了一个优化实验设计的框架。
2019-10-21 physics.ao-ph physics.data-an physics.flu-dyn
Entrainment, diffusion and effective compressibility in a self-similar turbulent jet
利用粒子跟踪测速技术对不可压圆形射流自由扩展过程进行了实验研究。喷流只能通过喷嘴喷入示踪剂：不均匀的喷入称为喷嘴喷入。因此，这些示踪剂标记的拉格朗日流不包含从静止的周围流体夹带到射流中的颗粒的任何贡献。喷嘴种子流的平均速度场，$\langle \boldsymbol{U_φ} \rangle$，被发现是基本上无法区分的射流，$\langle \boldsymbol{U} \rangle$的全球平均速度场，轴向速度，而径向速度的显着偏差。这导致喷嘴引射气流的有效可压缩性，即使全局背景气流完全不可压缩，也是$\boldsymbol{\nabla \cdot} \langle \boldsymbol{U_φ} \rangle \neq 0$。通过使用质量守恒和自相似性，我们定量地解释了修改后的径向速度分布，并解析地表达了与夹带流体颗粒相关的缺失贡献。通过考虑一个经典的对流扩散描述，我们明确连接湍流扩散的质量（通过湍流扩散率$K_T$）和动量（通过湍流粘度$ν_T$）夹带。这导致新的实际关系，以实验确定的非均匀空间分布的$K_T$和$ν_T$（因此，湍流普朗特数$σ_T = ν_T/K_T$）从简单的测量平均示踪剂浓度和轴向速度分布。总的来说，所提出的方法的基础上喷嘴种子流提供了新的实验和理论元素，更好地理解湍流扩散和夹带在湍流射流。
2022-01-07 physics.flu-dyn
Experimental investigation of turbulent suspensions of spherical particles in a square duct
本文报道了方形管道中球形颗粒湍流的实验观测。三种粒度，即：研究了$2H/d_{p}$ = 40、16和9（$2H$是管道全高，$d_{p}$是颗粒直径）。颗粒相对于悬浮流体几乎是中性浮力的。折射率匹配-粒子图像测速法用于测量流体速度，即使在最高的粒子体积分数（20%）下，粒子跟踪测速法用于测量两种最大尺寸粒子的粒子速度统计，而对于最小的粒子，仅报告压力测量。在最低体积雷诺数$Re_{2H}\approx$ 10000时观察到沉降效应，而在最高体积雷诺数$Re_{2H}\approx$ 27000时，颗粒几乎完全悬浮。悬浮液的摩擦系数被发现是显着大于单相管道流在较低的$Re_{2H}$调查，但是，差异减小时，增加流量和总阻力的值接近单相流在较高的雷诺数考虑。对于几乎所有的$Re_{2H}$，发现压降随着体积分数低于$ϕ$ = 10%的粒径而减小。然而，在最高的体积分数$ϕ$ = 20%，我们报告了一个奇特的非单调行为：压降首先减少，然后增加，随着颗粒尺寸。在最低体积分数下，湍流阻力随颗粒尺寸的减小与湍流的衰减有关。然而，对于$ϕ$ = 20%的两个最大颗粒尺寸，尽管湍流应力大幅降低，但仍会出现阻力增加，因此，这是由于显著的颗粒诱导应力。
2018-09-18 physics.flu-dyn
Lagrangian velocity auto-correlations in statistically-steady rotating turbulence
用粒子跟踪测速技术研究了旋转湍流中被动示踪剂的拉格朗日统计特性。一个封闭的和强迫的湍流受到五个不同的旋转速率。速度分量的PDF清楚地揭示了由背景旋转引起的各向异性。尽管水平湍流场的统计特性近似为各向同性，但与van Bokhoven及其同事先前报道的结果[Phys.Fluids 21，096601（2009）]一致，平行于（垂直）旋转轴的速度分量在旋转增加时强烈减小（与水平分量相比）。三个分量的自相关系数随转速的增加而逐渐增大，但垂直分量的自相关系数随转速的降低而减小。去相关近似为指数。拉格朗日数据比较有利，与以前报道的欧拉数据的水平速度分量，但显示不同的行为，在较高的旋转速率的垂直速度分量。
2013-07-23 physics.flu-dyn
High-fidelity velocity and concentration measurements of turbulent buoyant jets
本文通过同步PIV和LIF测量并结合折射率匹配方法，获取均匀与分层环境中正负浮力射流的高保真速度与浓度数据，用于评估现有湍流模型并为开发能准确捕捉浮力主导湍流混合的新模型提供基础。
2024-02-26 physics.flu-dyn
Enhanced diffusivity and skewness of a diffusing tracer in the presence of an oscillating wall
本文研究振荡壁面诱导周期性剪切流中示踪剂的增强扩散与偏度，基于 Helmholtz 算子推导方差及有效扩散率，并经实验验证，揭示高频发散、有界极限及偏度相位可控等规律。
2023-04-18 math.AP physics.flu-dyn
Investigation of the Exhaust Flow of a Pulse Detonation Combustor at different Operating Conditions based on High-Speed Schlieren and PIV
本文研究了脉冲爆震燃烧室（PDC）在不同工况下的排气流动。PDC由爆燃转爆轰过渡段和带直喷管的排气管两部分组成。高速高分辨率纹影图像可视化喷嘴下游的冲击动力学。在一个完整的PDC周期的流动动力学检查通过高速粒子图像测速仪。为减小PIV的测量误差，确定了一种适合于超声速反应流的固体示踪粒子。所研究的PDC的操作条件在填充分数方面不同，填充分数是填充有反应性混合物的管的百分比。随着填充率的增加，流动特征的尺寸和强度增加，因为前导激波的传播速度增加。PDC的排放过程的特征在于几个排气和吸入阶段。填充分数的增加导致更强的第一排气阶段，而随后的吸入和排气阶段几乎不受影响。
2019-10-22 physics.flu-dyn
Development of the Multichannel Pulsed Ultrasonic Doppler Velocimeter for the measurement of liquid metal flow
本文研制了多通道脉冲超声多普勒测速仪（MPUDV），通过PIV对比验证其精度，并在GaInSn液态金属空腔再循环流动中证明其可准确测量不透明流体的2D2C速度场。
2024-09-04 physics.flu-dyn
Large scale flow visualization and anemometry applied to lab on chip models of porous media
以下是一项实验技术的报告，该技术允许在大型2D设备中以非常高的分辨率和简单的设备量化和绘制速度场。提出了一种简单的Shlieren技术来增强图像中的对比度，并允许您检测像素大小甚至不如它的种子粒子。我们报道的测速技术是基于像素强度的自动关联函数，我们已经证明了它与局部平均速度的大小直接相关。在信号的去相关中涉及的特征时间与示踪剂尺寸成比例，并且与平均速度成反比。我们报告了详细的讨论，有关参数的优化，空间分辨率和方法的准确性。然后将该技术应用于由随机通道网络制成的模型多孔介质。我们表明，它是非常有效的，以确定在网络的每个通道的流量的大小，打开道路的复杂流体的流动的基础研究。后者示出与屈服应力流体，其中的流动变得高度不均匀，在小流量。
2016-03-21 physics.flu-dyn
Extended 3D-PTV for direct measurements of Lagrangian statistics of canopy turbulence in a wind tunnel
拉格朗日湍流统计数据的直接估计对于正确模拟高度阻碍的冠层流中的扩散和传输至关重要。然而，拉格朗日流量测量需要非常高的数据采集率，导致瓶颈，阻止了拉格朗日统计冠层流量的估计迄今。我们报告了一个新的扩展的三维粒子跟踪测速（3D-PTV）方法，具有实时粒子分割，输出质心和示踪粒子的大小，并在专用硬件上进行高速数字视频采集从多个摄像机。所提出的扩展导致数据传输速率降低四个数量级，从而能够执行更长的实验运行，便于测量收敛统计。通过风洞实验研究了非均匀冠层流中拉格朗日统计量，证明了扩展方法。我们观察到，加速度统计的平均剪切在顶部的冠层和拉格朗日粒子分散在小尺度上的粗糙度元素的尾迹中的湍流占主导地位。这种方法能够克服基于欧拉的测量的主要缺点，基于欧拉的测量依赖于假设，如泰勒冻结湍流假设，这是已知的失败，在高度湍流。
2019-04-25 physics.flu-dyn
Intermittency enhancement in quantum turbulence
间歇性是湍流的一个重要特征，它不仅存在于经典粘性流体的湍流流动中，而且也存在于诸如超流$^4$ He等量子流体的流动中。尽管经典流体中的湍流与超流$^4$ He中的准经典湍流之间存在相似性，但人们已经预测，超流$^4$ He中的不稳定性与温度有关，并且在一定温度下会增强，这与经典湍流中几乎与流动无关的不稳定性形成鲜明对比。该理论预测的实验验证具有挑战性，因为它需要在$^4$ He中良好控制量子湍流的产生以及具有高空间和时间分辨率的流量测量工具。在这里，我们报告了一个实验研究的量子湍流所产生的拖曳网格通过一个静态样品的超流体$^4$他。将新近发展起来的He $^*_2$分子示踪线标记测速技术与传统的二次声衰减方法相结合，对衰减湍流量子流进行了研究。我们观察到准经典衰减的湍流动能在正常的流体和涡线密度的超流组件。对于衰变过程中的几个时刻，我们计算了横向速度结构函数。使用扩展的自相似性假设推导出的标度指数显示出非单调的温度依赖性非线性增强，与Biferale等人最近的理论/数值研究非常一致[Phys. Rev. Fluids 3，024605（2018）]。
2018-06-29 physics.flu-dyn
Turbulence statistics in a negatively buoyant multiphase plume
本文研究了{重粒子组成的多相羽流（粒子在终极速度的雷诺数为450）}中的湍流统计特性。使用折射率匹配的立体粒子图像测速仪，我们测量粒子的位置{其浮力驱动多相羽流的形成，} {连同周围盐水中的诱导流的局部速度}。{羽流中心面的测量值显示出平均流特性的自相似性，与经典的积分羽流理论一致。}湍流特性类似于气泡羽流中测量的特性，包括法向雷诺应力中的强各向异性。然而，我们观察到两个多相羽流之间的结构差异。首先，轴向速度波动的概率密度函数（PDF）的偏斜度不是通过简单地反转气泡羽流的方向来预测的。其次，在对比气泡羽流，颗粒羽流有一个不可忽略的流体剪切生产项中的湍流动能（TKE）预算。第三，TKE预算中所有测量项的径向衰减都比气泡羽流中的径向衰减慢。尽管有这些不同之处，但一个更大的图景出现了，适用于这两种流动。颗粒（或气泡）产生的TKE大致平衡粘性耗散，除了羽流中心线附近。速度波动的一维功率谱显示出-3的幂律，这使得颗粒和气泡羽流都属于不同于单相剪切流湍流的类别。
2019-07-18 physics.flu-dyn
High-precision interferometric measurement of slow and fast temperature changes in static fluid and convective flow
本文利用标准迈克尔逊干涉仪高精度测量水中视线平均温度，实现对静态流体慢变和对流快变温度的非侵入式检测，并成功观测到热羽流中传统RTD无法分辨的涡旋到达不对称性，经PIV和大涡模拟验证，展示了该方法在实验流体动力学中的广泛应用潜力。
2023-10-21 physics.flu-dyn
Lagrangian diffusion properties of a free shear turbulent jet
对轴对称湍流水射流进行了拉格朗日实验研究，以研究其高度各向异性和非均匀流场。测量是在拉格朗日探索模块，二十面体装置，以促进三个相机的光学访问。立体粒子跟踪测速仪的结果在三个分量的位置，速度和加速度的示踪剂粒子在垂直取向的射流与泰勒为基础的雷诺数$\mathcal R_λ\simeq 230$的轨迹。在下游15直径至45直径的7个位置进行分析。首先进行欧拉分析，以获得射流和相关尺度的关键参数，即柯尔莫哥洛夫和大周转（积分）尺度以及能量耗散率。然后，根据Batchelor（\textit{J. Fluid Mech.}，第3卷，1957年，第100页）启发的方法，对静止的速度分量进行拉格朗日统计分析。67-80），其目的是将泰勒的湍流扩散的定常拉格朗日理论扩展到自相似流的情况。典型的拉格朗日缩放参数的发展射流的函数的演变进行了探讨，结果表明所提出的stationarisation验证。通用的标度常数$C_0$（拉格朗日二阶结构函数），以及欧拉和拉格朗日积分时间尺度进行了讨论。发现$C_0$在喷嘴下游30个直径内收敛到恒定值（$C_0 = 3$的量级）。最后，通过考虑加速度相关量，研究了有限颗粒尺寸效应的存在性。
2021-02-16 physics.flu-dyn
Finite-size spherical particles in a square duct flow of an elastoviscoplastic fluid: an experimental study
本实验研究了具有一定弹性的屈服应力流体（卡波普凝胶）在方形管道中的流动。研究了两种屈服应力较低和较高的流体在多雷诺数$Re^* \in$（1，200）和宾汉数$Bi \in$（0.01，0.35）下的行为。观察到由八个涡流组成的二次流将流体从角部再循环到核心。其范围和强度随着$Re^*$的增加而增加。本研究的第二个目的是探索在颗粒存在下的流动变化。几乎中性浮力的有限尺寸球形颗粒，其管道高度$2H$与颗粒直径$d_p$之比为12，以两个体积分数$ϕ$ = 5和10\%使用。粒子跟踪测速仪（PTV）用于测量这些折射率匹配的球体的速度，而PIV用于提取流体速度。简单的阴影也用于定性可视化的颗粒分布沿流向的发展。颗粒分布模式从在低流速下集中在四个角处变为在高流速下沿着中心和角之间的扩散环集中。颗粒的存在引起流体相的流向和壁面法向速度波动;然而，与湍流相比，主要雷诺剪切应力仍然非常小。在颗粒负载的情况下，塞的大小似乎是小于相应的单相情况下。与牛顿流体类似，由于颗粒的存在，摩擦因数增加，几乎与悬浮流体基质无关。有趣的是，预测的基础上增加的有效悬浮液粘度同意相当好的实验摩擦系数的浓度在这项研究中使用。
2019-05-17 physics.flu-dyn
Turbophoresis of inertial particles in inhomogeneous turbulence generated by oscillating grids
The Ben-Gurion University of the Negev（内盖夫本-古里安大学）
研究通过实验探讨了由单网格和双网格振荡湍流系统产生的空气流动中惯性颗粒的涡流输运现象，发现颗粒在低湍流强度区域积累，验证了涡流输运行为。
2026-07-21 physics.ao-ph physics.flu-dyn physics.geo-ph
PIV/BOS Synthetic Image Generation in Variable Density Environments for Error Analysis and Experiment Design
我们提出了一种基于光线跟踪的图像生成方法，可用于渲染逼真的粒子图像测速（PIV）和背景定向纹影（BOS）实验中存在的密度/折射率梯度的图像。这种方法能够模拟气动热力学实验的实验设计，误差和不确定性分析。通过从颗粒或点图案发出光线并将其传播通过密度梯度场和光学元件直到相机传感器来生成图像。渲染的图像是真实的，并且可以复制给定实验设置的特征，如光学像差和透视效果，这些可以故意引入用于误差分析。我们证明了这种方法，通过模拟一个已知的密度场的均匀浮力驱动的湍流直接数值模拟（DNS）的BOS实验，并比较光线跟踪的光线位移从BOS理论的结果。光线位移与参考数据吻合良好。这种方法提供了一个框架，进一步开发的模拟工具，用于实验设计和开发的图像分析工具的PIV和BOS应用。在Python CUDA程序中实现所提出的方法可作为研究人员的开源软件。
2018-12-12 eess.IV physics.flu-dyn physics.optics
Flow profiles near receding three--phase contact lines: Influence of surfactants
润湿和去湿的动力学在很大程度上取决于接触线附近的速度场。对于水滴，已经观察到添加表面活性剂降低动态后退接触角，即使在远低于临界胶束浓度（CMC）的浓度下。为了更好地理解为什么表面活性剂对液滴动力学具有如此剧烈的影响，我们在倒置显微镜上构建了一个专用的装置，其中当透明基底水平移动时，水滴保持静止。使用像散粒子跟踪测速仪，我们跟踪的三维位移的示踪粒子在流动中。我们研究了表面活性剂如何改变毛细管数为$10^{-6}$的移动液滴的后退接触线附近的流动动力学。即使表面活性剂浓度$c$远低于临界胶束浓度（$c \ll$ CMC），Marangoni应力也会显著改变流动。我们首先讨论我们的结果在一个二维模型，认为对流和扩散的表面活性剂的运输和推断估计的幅度和缩放的马兰戈尼应力从这个。模拟和实验一致认为，少量$μN \, m^{-1}$的表面张力的微小梯度足以显著改变流动剖面。Marangoni应力随距离接触线的变化表明，二维对流扩散模型必须扩展到全三维模型。这种影响是普遍存在的，因为表面活性剂存在于许多技术和自然去湿过程中，或者是故意的，或者是作为污染物。
2021-08-03 cond-mat.soft physics.flu-dyn
Temperature and pressure reconstruction in turbulent Rayleigh-Bénard convection by Lagrangian velocities using PINN
本文提出用物理信息神经网络结合拉格朗日速度数据重建湍流Rayleigh-Bénard对流中的温度与压力场，在DNS和PTV实验数据上均实现有效重建，DNS验证相关性达90%。
2025-06-05 physics.comp-ph physics.flu-dyn
