D11 Particle Image Velocimetry - PIV

Tópico

El fluido que rodea el ala de un insecto en vuelo se mueve de una forma que el ojo no puede ver directamente, y la velocimetría por imágenes de partículas, conocida como PIV, es la técnica de referencia para revelar cómo se mueve realmente ese fluido: mide el campo de velocidad completo del aire alrededor del ala del insecto en pleno vuelo.

Para poder ver ese movimiento invisible del fluido, primero hay que sembrarlo con partículas trazadoras —diminutas microesferas de vidrio huecas o gotas de aceite de oliva atomizado— que son tan pequeñas y tan livianas que siguen fielmente cada movimiento del fluido, sin alterarlo ni quedarse atrás.

Una vez que el fluido está sembrado con estas partículas, un láser pulsado ilumina un único plano del espacio en dos instantes de tiempo muy próximos entre sí, y una cámara registra la posición exacta de cada partícula trazadora dentro de ese plano en cada uno de esos dos instantes, dejando así dos fotografías casi idénticas del mismo grupo de partículas, tomadas con una diferencia de tiempo muy breve.

Comparando esas dos fotografías de las partículas, una técnica llamada correlación cruzada divide el plano iluminado en pequeñas ventanas de interrogación superpuestas entre sí, y para cada una de esas ventanas encuentra el desplazamiento más probable que sufrieron las partículas trazadoras entre el primer instante y el segundo. Ese desplazamiento, dividido por el breve intervalo de tiempo transcurrido, produce un vector de velocidad local del fluido en esa sub-región del plano.

Al repetir esta comparación en todas las ventanas de interrogación del plano iluminado, se obtiene un campo vectorial completo que describe la velocidad del fluido en cada punto de ese plano, revelando de una sola vez cómo se mueve el aire alrededor del ala del insecto en el instante capturado.

A partir de ese campo vectorial completo se puede calcular, mediante diferenciación numérica, la vorticidad del fluido en cada punto, es decir, qué tanto y en qué dirección gira localmente el fluido alrededor de ese punto. Esa vorticidad permite identificar los vórtices que se forman alrededor del ala del insecto, entre ellos el vórtice de borde de ataque, una estructura de giro concentrado que se forma justo sobre el borde delantero del ala y que resulta clave para la sustentación del insecto.

Una integral de circulación cuantifica qué tan intenso es cada uno de estos vórtices, y a partir de esa intensidad, el método del impulso vortical permite estimar la fuerza aerodinámica total que el ala del insecto genera durante el vuelo, sin necesidad de montar ninguna balanza mecánica directamente sobre el insecto. Esto resulta especialmente valioso justamente porque el insecto es tan pequeño: cualquier sensor montado directamente sobre él alteraría su vuelo natural, mientras que el fluido sembrado con partículas y observado con láser y cámara revela la misma fuerza aerodinámica sin tocar al insecto en absoluto.

ID:2573