זרימת חלקיקים בנוזל/אוויר

מערכות למדידת זרימת חלקיקים בנוזל או באוויר מיועדות לאפיון מדויק של תנועת חלקיקים בתוך זורמים, לרבות מהירות, כיוון, גודל, פיזור והתנהגות דינמית. מערכות אלה משמשות במחקר ופיתוח, הנדסת זורמים, אווירודינמיקה, מחקר ספריי וטיפות, תהליכים תעשייתיים, בעירה, מדעי הסביבה, ביו-הנדסה ומחקר של זרימות דו-פאזיות ורב-פאזיות.

בקטגוריית זרימת חלקיקים בנוזל/אוויר ניתן למצוא מערכות מתקדמות המבוססות על טכנולוגיות אופטיות ולייזר, ובהן PIV, MicroPIV, LDV ו-PDPA. כל אחת מהטכנולוגיות מספקת מידע שונה על הזרימה ועל החלקיקים הנעים בתוכה, ולכן הבחירה במערכת המתאימה תלויה בסוג הזורם, גודל החלקיקים, מהירותם, תחום המדידה והפרמטרים שאותם רוצים לנתח.

מהי מדידת זרימת חלקיקים?

מדידת זרימת חלקיקים עוסקת בתיאור האופן שבו חלקיקים, טיפות או בועות נעים בתוך גז או נוזל. במקום למדוד רק את קצב הזרימה הכולל, מערכות מתקדמות מאפשרות לבחון את ההתנהגות המקומית של הזרימה בנקודות או באזורים שונים.

בהתאם לטכנולוגיה, ניתן למדוד פרמטרים כגון:

• מהירות החלקיקים
• כיוון הזרימה
• שדה מהירות דו-ממדי
• שדה מהירות במיקרו-מערכות
• גודל טיפות וחלקיקים
• התפלגות גדלים
• ריכוז חלקיקים
• תנודות במהירות
• מאפייני טורבולנציה
• התנהגות של זרימות דו-פאזיות

היכולת למדוד פרמטרים אלה ללא מגע ישיר עם הזרימה חשובה במיוחד כאשר נדרשת מדידה מדויקת מבלי להפריע לתהליך הנבדק.

מערכות PIV למדידת שדות זרימה

PIV, או Particle Image Velocimetry, היא שיטה אופטית למדידת שדה המהירות של זרימה.

בשיטה זו מוסיפים לזורם חלקיקי עקיבה קטנים. מערכת לייזר מאירה את החלקיקים, ומצלמה מצלמת אותם בשני רגעים או יותר. באמצעות ניתוח השינוי במיקום החלקיקים ניתן לחשב את מהירות הזרימה באזור המדידה.

אחד היתרונות המרכזיים של PIV הוא האפשרות לקבל שדה מהירות שלם ולא רק מדידה בנקודה אחת.

מערכות PIV מתאימות למחקר בתחומים כגון:

• אווירודינמיקה
• הידרודינמיקה
• מנהרות רוח
• תעלות מים
• זרימות סביב גופים
• מערכות קירור
• בעירה
• טורבולנציה
• מחקר סביבתי
• זרימות תעשייתיות

מערכת 2D PIV

מערכת 2D PIV מיועדת למדידת שני רכיבי מהירות בתוך מישור מדידה.

באמצעות תאורת לייזר ומצלמה מהירה ניתן לעקוב אחר תנועת חלקיקי העקיבה וליצור מפה של מהירויות הזרימה.

מערכת מסוג זה מתאימה במיוחד כאשר רוצים לראות כיצד הזרימה משתנה לאורך אזור מסוים ולזהות תופעות כגון מערבולות, אזורי הפרדה, זרימה חוזרת ושינויים מקומיים במהירות.

MicroPIV למדידת זרימה במיקרו-מערכות

MicroPIV היא גרסה של טכנולוגיית PIV המותאמת למדידות בקנה מידה מיקרוסקופי.

המערכת מיועדת למדידת זרימות בתוך תעלות מיקרו, התקני MEMS, Microfluidics ומערכות שבהן ממדי הזרימה קטנים מאוד.

יישומים נפוצים כוללים:

• Microfluidics
• Lab-on-a-Chip
• MEMS
• ביו-הנדסה
• מערכות רפואיות
• מחקר תאים ונוזלים ביולוגיים
• מיקרו-ערבוב
• מחקר זרימה בתעלות זעירות

MicroPIV מאפשרת לחקור שדות מהירות באזורים שקשה או בלתי אפשרי למדוד בהם באמצעות חיישני זרימה קונבנציונליים.

LDV למדידת מהירות חלקיקים וזרימה

LDV, או Laser Doppler Velocimetry, היא שיטת מדידה אופטית המבוססת על אפקט דופלר של אור לייזר המפוזר מחלקיקים הנעים עם הזרימה.

המערכת מודדת בדרך כלל את מהירות החלקיקים בנקודת מדידה מוגדרת ומספקת נתוני מהירות ברזולוציית זמן גבוהה.

אחד היתרונות המרכזיים של LDV הוא שהמדידה אינה דורשת הכנסת חיישן פיזי לתוך הזרימה.

מערכת LDV מתאימה במיוחד למדידת:

• מהירות זרימה
• תנודות במהירות
• טורבולנציה
• פרופיל מהירות
• זרימות מהירות
• תהליכים לא יציבים
• זרימות בגזים ובנוזלים

2-Component LDV System

מערכת 2-Component LDV מאפשרת למדוד שני רכיבי מהירות באותה נקודת מדידה.

כך ניתן לקבל מידע מפורט יותר על כיוון ותנועת הזרימה ולבחון מערכות שבהן לזרימה יש רכיבים בכמה כיוונים.

מערכות כאלה משמשות במחקר מתקדם של זרימה, טורבולנציה, אווירודינמיקה, הידרודינמיקה ותהליכים תעשייתיים.

PDPA למדידת גודל ומהירות של חלקיקים וטיפות

PDPA, או Phase Doppler Particle Analyzer, היא מערכת לייזר מתקדמת המאפשרת למדוד בו זמנית את גודל החלקיק או הטיפה ואת מהירותם.

טכנולוגיה זו מתאימה במיוחד למחקר של ספריי, טיפות, אטומיזציה וזרימות דו-פאזיות.

בכל פעם שחלקיק או טיפה עוברים באזור המדידה, המערכת מנתחת את האור המפוזר ומפיקה מידע על מאפייניהם.

שימושים של מערכות PDPA

מערכות PDPA מתאימות ליישומים כגון:

• אפיון ספריי
• מערכות התזה
• הזרקת דלק
• בעירה
• מנועים
• תהליכי Atomization
• מגדלי קירור
• מערכות ריסוס
• תעשיית התרופות
• מחקר טיפות
• זרימות רב-פאזיות

היכולת למדוד גם גודל וגם מהירות מאפשרת לקבל תמונה מפורטת של התנהגות הטיפות והחלקיקים בתוך הזרימה.

מה ההבדל בין PIV, LDV ו-PDPA?

למרות שכל השיטות משמשות למדידת זרימה וחלקיקים, הן מספקות מידע שונה.

PIV מתאים לקבלת שדה מהירות על פני שטח שלם.
LDV מתאים למדידת מהירות מדויקת בנקודה מסוימת וברזולוציית זמן גבוהה.
PDPA מתאים כאשר רוצים למדוד גם את מהירות החלקיקים או הטיפות וגם את גודלם.
MicroPIV מיועד לאותו עיקרון של PIV, אך בקנה מידה מיקרוסקופי.

לכן בחירת המערכת תלויה בשאלה האם רוצים למדוד שדה זרימה, מהירות נקודתית, גודל חלקיקים או שילוב של מספר פרמטרים.

מדידת זרימת חלקיקים באוויר

במדידות אוויר ניתן להשתמש במערכות אופטיות כדי לחקור תנועה של חלקיקים, טיפות או אירוסולים בתוך זרם גז.

יישומים כוללים:

• מנהרות רוח
• אוורור ומיזוג אוויר
• פליטות
• ספריי
• בעירה
• זרימות סביב כלי רכב
• אווירודינמיקה
• פיזור חלקיקים
• מערכות סינון
• מחקר סביבתי

מדידה ללא מגע מאפשרת לנתח את הזרימה מבלי להוסיף חיישנים העלולים לשנות את תנאי הזרימה.

מדידת זרימת חלקיקים בנוזל

במערכות נוזל ניתן לבצע מדידות בתוך תעלות, צינורות, מכלים, מערכות ערבוב, משאבות ומערכי מחקר הידרודינמיים.

יישומים נפוצים כוללים:

• זרימה בצנרת
• ערבוב נוזלים
• טורבינות
• משאבות
• תעלות מים
• מערכות קירור
• מחקר הידרודינמי
• Microfluidics
• זרימות ביולוגיות
• מערכות תהליך תעשייתיות

זרימות דו-פאזיות ורב-פאזיות

מערכות למדידת זרימת חלקיקים חשובות במיוחד במחקר של Multiphase Flow, שבו קיימות שתי פאזות או יותר, לדוגמה גז וטיפות נוזל, נוזל ובועות, או נוזל וחלקיקים מוצקים.

במערכות כאלה ניתן לחקור:

• מהירות של כל פאזה
• גודל טיפות או חלקיקים
• פיזור החלקיקים
• אינטראקציה בין החלקיקים לזורם
• אזורי הצטברות
• טורבולנציה
• תהליכי ערבוב והפרדה

מחקר זה רלוונטי לתעשיות רבות, כולל אנרגיה, כימיה, תעופה, רכב, תרופות ומזון.

כיצד לבחור מערכת למדידת זרימת חלקיקים?

בחירת המערכת המתאימה תלויה במטרת המחקר ובפרמטרים שרוצים למדוד.

חשוב להתייחס ל:

• סוג הזורם: גז או נוזל
• גודל החלקיקים או הטיפות
• טווח המהירויות
• גודל אזור המדידה
• האם נדרש שדה מהירות או מדידה נקודתית
• מספר רכיבי המהירות
• רזולוציית הזמן
• רזולוציית המרחב
• האם נדרש למדוד גם גודל חלקיקים
• שקיפות אזור המדידה
• תנאי טמפרטורה ולחץ
• התאמה למערך הניסוי

לדוגמה, למדידת שדה זרימה במנהרת רוח ניתן לבחור PIV, למדידה נקודתית מדויקת ניתן לבחור LDV, ולאפיון טיפות בספריי ניתן לבחור PDPA.

פתרונות מקצועיים למדידת זרימת חלקיקים בנוזל ובאוויר

מטאו-טק מציעה מערכות מתקדמות למדידת זרימת חלקיקים בנוזל ובאוויר, כולל פתרונות PIV, MicroPIV, LDV ו-PDPA למחקר ואפיון מתקדם של זרימות.

המערכות מתאימות למחקר אקדמי, תעשייה, הנדסת זורמים, אווירודינמיקה, הידרודינמיקה, מחקר ספריי, בעירה, Microfluidics וזרימות רב-פאזיות, ומאפשרות לקבל מידע מדויק על מהירות, כיוון, גודל והתנהגות החלקיקים והזורם בתנאי מדידה שונים.