مکاترونیک

مقدمه
تکنیک های پردازش تصویر به صورت گسترده در بسیاری از برنامه های متفاوت مورد استفاده قرار می­گیرد. به خصوص در مکانیک سیالات، پردازش تصویر به یک تکنیک بسیار قدرتمند برای مطالعه پدیده جریان تبدیل شده است. یکی از پیشرفت های اخیر، در توسعه و گسترش یک مجموعه الگوریتم های که برای تشخیص نقطه ایی و در موارد پیگیری یک تصویر متغیر زمانی می باشد، بدست آمده است. این الگوریتم ها، تشخیص نوشتار اتوماتیک دریافت تصاویر ویدئویی فیلم را امکان پذیر می کند. در انواع مختلف دستگاه های شیمیایی، جریانهای دو فاز مایع-گازی معمولا رخ می دهد. جریان دو فاز در طول و در عرض باند لوله ها در مبدل حرارتی رخ می دهد. یک برنامه مجازی سازی جریان و روش تجزیه و تحلیل تصویر دیجیتالی تعیین محل و پارامترهای جریان کلی را امکان پذیر می کند و در کنار آن ارزیابی هیدرودینامیک جریان مایع داخل باند لوله ها را نیز امکان پذیر می کند و این کارها بر اساس تکنیک های پردازش تصویر دیجیتال صورت می گیرد. مبدلهای حرارتی پوسته و لوله معمولا برای انتقال گرما در دستگاه جریان به کار برده می شود. به منظور افزایش سرعت جریان ماده در داخل پوسته جریان با استفاده از بخش صفحات عرضی، تقویت می شود و سطوح متعلق به تبادلگر گرما به حداقل برسد.
گونه های مختلفی از جریانهای مایع- گاز دو فاز دستگاه شیمیایی در اغلب اوقات اتفاق می افتد. جریان 2 فاز در کنار و یا در مقابل دسته لوله های در مبدل حرارتی رخ می دهد. یک برنامه مجازی سازی جریان و روش تجزیه و تحلیل تصویر دیجیتالی این امکان را فراهم می آورد تا مکان و پارامترهای جریان سراسری تعیین گردد و ارزیابی هیدرودینامیکی جریان مایع داخل باند لوله ها صورت گیرد، این کار بر اساس تکنیک­های پردازش تصویر دیجیتال صورت می­گیرد. پوسته کلاسیک و مبدل حرارتی، معمولا برای انتقال گرما در دستگاه جریان به کار برده می شود. به منظور افزایش سرعت جریان مایع در داخل پوسته و حداقل رساندن سطوح مبدل حرارتی در این حالت جریان از طریق به کارگیری ورقه های اوریب تصحیح می گردد. جریان مخلوط دو فاز از طریق نوسانات مناسب، کاراکتربندی می گردد، نوسان های جریان 2 فاز در نتیجه حالتهای طبیعی نوسان سازی و ژئومتری ترکیب شده جریان دو فاز در اطراف پوسته بوجود می آیند. اطراف پوسته ناحیه جریان مخلوط دو فاز را تعریف می کند که در آن سرعت جریان در مسیر کوچک اطراف پوسته به مقدار حداکثر است. ناحیه پشتی سطح لوله ها، نوسانات کوچک را ارائه کرده و ناحیه ساکن نامیده می شوند (شکل 1). سرعت جریان بخش کوچک گاز در ناحیه ساکن به صورت تفسیری و تشریحی، کوچکتر از مسیر اطراف پوسته هستند. اطراف پوسته در مورد اختلالات محلی میادین سرعت، خط سیرهای جریان گاز، ناحیه گسترده ای از گروه های تمرکز بسته های گازی تصمیم گیری می کند. تکنیک های نوری همانند تجزیه و تحلیل تصاویر دیجیتال شاید برای کار، تخمین و بهینه سازی دستگاههای نصب جریان های 2 فاز مورد استفاده قرار گیرند.

شکل 1  تصور ناحیه سکون پشت ردیف لوله ها
الف)ترتیب نامتقابل مثلثی ب)ترتیب مربعی در یک خطالگوریتم همبستگی سرعت سنج تصویر ذره دیجیتالی
سنجش جهت و سرعت تصویر دیجیتال با استفاده از ذره دیجیتالی که سرعت سنجی تصاویر ذره دیجیتال نامیده می شوند (DPIV) صورت می گیرد که تکنیکی می باشد که امکان تعیین بردارهای سرعت جریان های مایع را با استفاده از روش همبستگی تصویر مهیا می­سازد. اندازه گیری های کیفی جریان و کارکترهای اغتشاش با استفاده از DPIV بدست آمده اند. این روش یک تکنیک چشمی غیر نفوذی می باشد که سرعت سیال را با استفاده از ردگیری جابجایی ذرات تراکر که به سیال اضافه شده اند اندازه گیری می کند.
مکانهای ذره به وسیله جذب و تبدیل نور پراکنده از ذره های واحد با یک دوربین دیجیتالی تعیین می گردند.
جابجایی ذره در یک ناحیه کوچک از تصویر و با استفاده از مقایسه تصاویر متوالی محاسبه می گردند. بعد از آن سرعت در ناحیه کوچک، بوسیله تقسیم فاصله و از طریق تاخیر زمانی شناخته شده بین تصاویر محاسبه می گردد. تصاویر DPIV در پنجره های بازرسی تقسیم می شوند (به صورت فرعی)  محاسبه عملکرد همبستگی برای تعیین بردار مکان برای هر پنجره نیز می تواند در حوزه فرکانس یا حوزه خاص صورت بگیرد.
عملکرد ارتباط خاص دیجیتالیRII به ارزیابی معادله  زیر نیاز دارد.                         RIIx1,x2=i=-kkj=-LLIi,jI'i+x,j+x2
در این معادله I(i,j) ارائه کننده شدت حجم برای پیکسل (i,j) است. این فرایند به صورت استاتیکی درجه همبستگی بین 2 نمونه I(i,j) و I'(i,j) را برای یک انتقال داده شده (x1,x2) اندازه گیری می کند، موقعیت انتقالی در جایی که مقادیر پیکسل تطبیق دادن با یکدیگر، بالاترین مقدار همبستگی عرضی را می دهد و میانگین تغییر مکان بسته ها را در یک پنجره بازرسی را ارائه می کند. الگوریتم به کار گرفته شده برای ارزیابی جابجایی بسته ها این آزمایش بر مبنای روش همبستگی حوزه فرکانسی طراحی شده است. تصاویر در پنجره فرعی 24×24 پیکسل و با هم پوشانی 50 درصد تقسیم می شوند. برنامه همبستگی بوسیله انتقال عملکرد شدت از فضایی به حوزه فرکانس ایجاد شده است و از تغییر شکل تبدیل فوریه استفاده می کنند. همبستگی عرضی با استفاده از بکارگیری الگوریتم تبدیل فوریه (FFT) سریع که یک کارایی محاسباتی است بدست می آید، این کار از زمانی که ویژگیهای تقارن بین ضریب تغییر شکل گسسته را استفاده می کنند، آغاز می شود. روش همبستگی عرضی FFT در نتیجه یک نقطه اوج موجود در برنامه همبستگی که میانگین جابجایی بسته ها را در پنجره و در طول تاخیر زمانی بین پالس های روشن سازی ارائه کرده است. بعد از آن موقعیت نقطه اوج همبستگی برای دقت پیکسل های فرعی با استفاده از فرایند جاگذاری گاوس[1] تخمین زده می شود. بردار جابجایی براساس مکان نقطه اوج و با توجه به مرکز پنجره تعریف می گردد. الگوریتم نهایی میدان برداری را فیلتر می­کنند. این بردارها در یک مکان فضایی واحد که با رکورد زمانی سرعت ترکیب شده است جمع می گردند.
عملکرد همبستگی به شکل زیر تعریف می گردد:                         
در این معادله x مکان دلخواه، ui نشان دهنده تغییر مولفه سرعت و rj فاصله در جهت j بین مقادیر سرعت است.
مجازی سازی جریان مایع در اطراف پوسته امکان تجزیه و تحلیل پارامترهای جریان را با استفاده از پردازش تصویر و روش تحلیلی بوجود می آورد. تصاویر با فرکانس 1.3 هرتز و با استفاده از دوربین دیجیتالی سرعت بالای CCD ضبط می گردند. حبابهای گاز در اطراف پوسته علامتهای خاصی دارند. ترتیب ضبط جریان برای جریان گاز- مایع 2 فاز و در مقابل باند لوله تولید شده اند که به شکل نامتقابل مثلثی و مربعی در یک خط در نمونه حبابها قرار گرفته اند. سرعت های فازها مطابق VL=(0.20-0.70) متر بر ثانبه برای مایع و سرعت VG=(0.50-7.0) متر بر ثانیه برای گاز است. ترتیب تصاویر متوالی در طول جریان 2 فاز در اطراف پوسته ضبط گردیده است. بعد از آن میدان سرعت مایع با استفاده از همبستگی روش تصاویر تعیین می­­گردد (همبستگی عرضی DPIV )-(شکل 2). جدایی شناوری علامتها در میان مایع در فواصل زمانی موجود، این امکان را فراهم می سازد تا پارامتر جریان که سرعت جریان مایع را کاراکتربندی می کند دریافت شود.
توزیع میدان سرعت واسط به ژئومتری آرایش لوله ها، نامتقابل در یک خط مقدار درصد انتقال گرما را نشان می دهد.

شکل 2 حوزه های سرعت مایعو حرکت ذرات در اطراف پوسته
الف)ترتیب نامتقابل مثلثی ب)ترتیب مربعی در یک خط
منحنی های مسیر مربوط به حرکت نشانه های ذرات برای تخمین الگوی جریان طراحی شده اند. تغییرات مسیر جریان با استفاده از حرکت تحلیلی منحنی های مسیر در یک ناحیه، ارزیابی می گردد. جریان همانند منطقه ساکن دارای توقف است. تعداد مارکرهای ذرات زیاد نیست (شکل 2). تصویر نمایش میدان سرعت در شکل 2 ارائه شده است که ناحیه توزیع محلی سرعت قرار گرفته اند که به خاطر ژئومتری آرایش انتخاب شده بوجود آمده اند. بنابراین الگوی آرایش لوله ها باعث بوجود آمدن اغتشاش محلی می گردد. توالی ردیف لوله ها دارای یک تاثیر بروی تغییرات منحنی حرکت ذره می باشد (شکل 2) که باعث به وجود آمدن گرداب در پشت لوله ها می گردد. جریان مایع موجود در اطراف لوله ها برای آرایش نامتقابل مثلثی نامنظم می باشد، همچنین در این حالت یک دینامیک جریان بزرگتر نیز وجود دارد که در هر ردیف از لوله ها جریان شدت مایع را بوجود می آورد. این مسئله که درصد مقدار انتقال جریان برای هر آرایش نسبت به دیگر آرایش ژئومتریکال بزرگتر است توسعه داده شده است. اما هدر رفت فشار بزرگتر است.
 
نتیجه گیری
نتایج مجازی سازی جریان و روش های پردازش دیجیتال امکان ترسیم نتایج برای نقطه هیدرودینامیکی جریان 2 فاز در یک ناحیه اطراف پوسته را فراهم می کند، نتایج از این قرار است:
تکنیک های چشمی اندازه گیری مبنی بر الگوریتم های همبستگی، امکان تعیین دقیق متعادل سازی میدان سرعت در تمامی میدان های جریان در اطراف پوسته را فراهم می کند.
 
[1]Gaussians-fit