Велосиметрия с молекулярным мечением - Molecular tagging velocimetry

Схематическая установка эксперимента по молекулярной меченой велосиметрии

Велосиметрия с молекулярным мечением (MTV) - это особая форма потока велосиметрия, метод определения скорости течений в жидкостях, таких как воздух и вода.^[1] В простейшей форме одна «запись» лазер Луч один раз проходит через пространство для образца. На своем пути оптически индуцированный химический процесс инициируется, что приводит к созданию нового химического вещества или к изменению состояния внутренней энергии существующего, так что молекулы, пораженные лазерным лучом, можно отличить от остальной жидкости. Такие молекулы называются «помеченными».

Эта линия меченых молекул теперь переносится потоком жидкости. Чтобы получить информацию о скорости, изображения в два момента времени получают и анализируют (часто корреляция интенсивности изображения) для определения смещения. Если поток трехмерный или бурный линия не только сместится, но и деформируется.

Описание

Эти меченые молекулы можно визуализировать тремя оптическими способами: флуоресценция, фосфоресценция и лазерно-индуцированная флуоресценция (LIF). Во всех трех случаях молекулы расслабляются в более низкое состояние, и их избыточная энергия высвобождается в виде фотоны. В флуоресценция этот спад энергии происходит быстро (в пределах ${\displaystyle 10^{-7}}$ с к ${\displaystyle 10^{-9}}$ сидел атмосферное давление ), что делает "прямую" флуоресценцию непрактичной для мечения. В фосфоресценция распад медленнее, потому что переход квантово-механически запрещено.

В некоторых схемах "записи" меченая молекула попадает в возбужденное состояние. Если молекула релаксирует через фосфоресценцию, которая длится достаточно долго, чтобы увидеть смещение линии, это можно использовать для отслеживания записанной линии, и никакой дополнительный этап визуализации не требуется. Если во время маркировки молекула не достигла фосфоресцирующего состояния или расслабилась до того, как молекула была «прочитана», необходим второй шаг. Меченую молекулу затем возбуждают с помощью второго лазерного луча, используя длина волны так что он специфически возбуждает меченую молекулу. Молекула будет флуоресцировать, и эта флуоресценция фиксируется камерой. Такой способ визуализации называется лазерно-индуцированной флуоресценцией (LIF).

В современной жидкостной велосиметрии часто используются оптические методы, но большинство из них являются оптико-механическими по своей природе. Оптико-механические методы не полагаются на фотоника только для измерения расхода, но требует посевного макрокоманды. Наиболее известные и часто используемые примеры: велосиметрия изображения частиц (PIV) и лазерная доплеровская велосиметрия (LDV). В области полностью оптических методов мы можем выделить аналогичные методы, но с использованием молекулярных индикаторов. В Допплер В схемах свет квазиупруго рассеивается на молекулах, а скорость молекул передает Доплеровский сдвиг к частоте рассеянный свет. В методах молекулярной маркировки, как и в PIV, велосиметрия основана на визуализации смещения индикаторов.

Схемы

Доказано, что методы MTV позволяют измерять скорость в неблагоприятных условиях, например реактивные двигатели, пламя, сосуды высокого давления, где трудно использовать такие методы, как Пито, термоанемометрическая велосиметрия и PIV на работу. Сфера MTV довольно молода; первая демонстрация реализации появилась в 1980-х годах, и количество разработанных и исследованных схем для использования в воздухе все еще довольно мало. Эти схемы различаются по образующейся молекуле, необходимости заполнения потока посторонними молекулами и используемой длине волны света.

Наиболее тщательные исследования механики жидкости выполнены с использованием схем RELIEF и APART. Оба метода могут использоваться в окружающем воздухе без необходимости дополнительной посадки. В RELIEF возбужденный кислород используется в качестве индикатора. Метод использует преимущества квантово-механических свойств, которые запрещают релаксацию молекулы, так что возбужденный кислород имеет относительно долгое время жизни.

APART основан на «фотосинтезе» оксид азота. Поскольку NO является стабильной молекулой, в принципе, можно следовать шаблонам, написанным с его помощью, почти бесконечно.

Другой хорошо разработанный и широко документированный метод, обеспечивающий чрезвычайно высокую точность, - это велосиметрия с гидроксильным мечением (HTV). Он основан на фотодиссоциации водяного пара с последующей визуализацией образующегося радикала ОН с помощью LIF. HTV была успешно продемонстрирована во многих условиях испытаний - от потоков при комнатной температуре до потоков в 2 Маха внутри полости.

Смотрите также

• Термоанемометрия

Рекомендации

1. Кочесфахани, Манучер (1999). «Молекулярная метка-скорость (MTV) - прогресс и приложения». 30-я конференция по гидродинамике. CiteSeerX  10.1.1.456.1991. Дои:10.2514/6.1999-3786.

дальнейшее чтение

• Эленбаас, Тиджс (2005). Написание линий в турбулентном воздухе с использованием фотолиза воздуха и отслеживания рекомбинации (PDF). Эйндховен: Технический университет Эйндховена. ISBN  978-90-386-2401-3.
• C.P. Гендрих; М.М. Кочесфахани; Д.Г. Ночера (1997). «Молекулярная маркировка велосиметрии и другие новые применения новой фосфоресцирующей супрамолекулы». Эксперименты с жидкостями. 23 (5): 361–372. Дои:10.1007 / s003480050123.
• Б. Хиллер; Р. А. Буман; К. Хасса; Р. К. Хэнсон (1984). «Визуализация скорости газовых потоков с использованием лазерно-индуцированной фосфоресценции биацетила». Обзор научных инструментов. 55 (12): 1964–1967. Bibcode:1984RScI ... 55.1964H. Дои:10.1063/1.1137687. Архивировано из оригинал 23 февраля 2013 г.
• Р. Б. Майлз; Дж. Гринстед; R.H. Kohl; Г. Дискин (2000). «Метод маркировки потока RELIEF и его применение в испытательных установках двигателей и для исследований смешения гелия и воздуха» (PDF). Измерительная наука и технология. 11 (9): 1272–1281. Bibcode:2000MeScT..11.1272M. Дои:10.1088/0957-0233/11/9/304. Архивировано из оригинал (PDF) 23 ноября 2003 г.
• Попович А.Т .; Р. Л. Хаммель (1967). «Новый метод измерения турбулентного потока без помех в непосредственной близости от стены». Химическая инженерия. 22: 21–25. Дои:10.1016/0009-2509(67)80100-3.
• Л.А. Рибаров; J.A. Вермейер; Р. В. Питц; Р.А. Йеттер (2002). «Велосиметрия с меткой гидроксила (HTV) в экспериментальных воздушных потоках» (PDF). Прикладная физика B. 74 (2): 175–183. Bibcode:2002АпФБ..74..175Р. Дои:10.1007 / s003400100777. Архивировано из оригинал (PDF) 27 ноября 2003 г.