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Modelo Conceptual
Descripción
Modelo D1.1 - PIV — Velocimetría por Imágenes de Partículas
El modelo conceptual busca comprender los mecanismos que dan origen a un comportamiento, y describirlos de la forma más simple posible. Para eso, el comportamiento se segmenta en temas (grupos): cada uno identifica los objetos o variables que participan —tanto en su funcionamiento normal como en sus posibles anomalías o desviaciones— y describe, mediante verbos, la forma en que esos objetos interactúan entre sí. El resultado es lo que llamamos una red semántica: la estructura con la que representamos y comunicamos el modelo conceptual, antes de introducir ecuación alguna.
ID:3484
Estructura de los Grupos
Descripción
El primer paso consiste en analizar la descripción general del modelo e identificar los distintos aspectos que intervienen en el fenómeno y que deben ser representados. Cada uno de estos aspectos se organiza como un grupo, entendido como una unidad conceptual coherente que describe una parte específica del funcionamiento del modelo.
Cada grupo reúne los objetos o conceptos relevantes para ese aspecto y las relaciones o verbos que describen cómo interactúan, se modifican o dependen unos de otros. De esta manera, cada grupo constituye una parte de la red semántica del modelo, mientras que el conjunto de los grupos permite representar de forma estructurada su funcionamiento global.
La división en grupos facilita además separar mecanismos, condiciones, procesos y resultados que cumplen funciones diferentes dentro del modelo, manteniendo al mismo tiempo las relaciones que existen entre ellos. Los grupos no son, por tanto, componentes aislados: pueden compartir conceptos y establecer relaciones entre sí, formando conjuntamente una única representación semántica del fenómeno.
La imagen anterior ofrece una visión general de los distintos aspectos en que se ha estructurado el modelo. A continuación se presentan los grupos identificados, indicando para cada uno su título y una breve descripción del aspecto del modelo que representa.
Grupo 1: Grupo 1: Siembra y fidelidad de trazadores
El fluido se siembra con partículas suficientemente pequeñas y livianas para seguir su movimiento sin alterarlo. La fidelidad del trazador condiciona que el desplazamiento observado represente el desplazamiento local del aire.
Grupo 2: Grupo 2: Iluminación láser y adquisición temporal
Un láser pulsado ilumina un plano en dos instantes próximos. La cámara registra las posiciones de los trazadores en ambas exposiciones y el intervalo temporal entre imágenes fija la escala temporal de la medición.
Grupo 3: Grupo 3: Correlación cruzada y desplazamiento
El plano se divide en ventanas de interrogación superpuestas. La correlación cruzada estima en cada ventana el desplazamiento más probable del patrón de partículas entre las dos imágenes.
Grupo 4: Grupo 4: Campo vectorial de velocidad
El desplazamiento local dividido por el intervalo entre pulsos produce un vector de velocidad. Repitiendo el cálculo sobre todas las ventanas se reconstruye el campo vectorial bidimensional del fluido alrededor del ala.
Grupo 5: Grupo 5: Vorticidad e identificación de vórtices
La diferenciación espacial del campo de velocidad entrega la vorticidad local. Regiones de vorticidad concentrada permiten identificar estructuras vorticales, incluido el vórtice de borde de ataque.
Grupo 6: Grupo 6: Circulación e intensidad vortical
La circulación se obtiene integrando el campo de velocidad alrededor de un contorno o, equivalentemente bajo las hipótesis apropiadas, integrando vorticidad sobre un área. Esta magnitud cuantifica la intensidad del vórtice.
Grupo 7: Grupo 7: Impulso vortical y fuerza aerodinámica
El método del impulso vortical usa la distribución de vorticidad y su momento espacial para estimar la fuerza aerodinámica total. La medición es no intrusiva y evita montar sensores mecánicos sobre el insecto.
ID:1208
Grupo 1: Grupo 1: Siembra y fidelidad de trazadores
Descripción
El fluido se siembra con partículas suficientemente pequeñas y livianas para seguir su movimiento sin alterarlo. La fidelidad del trazador condiciona que el desplazamiento observado represente el desplazamiento local del aire.
Pregunta clave: ¿Cómo opera siembra y fidelidad de trazadores?
El fluido se siembra con partículas suficientemente pequeñas y livianas para seguir su movimiento sin alterarlo. La fidelidad del trazador condiciona que el desplazamiento observado represente el desplazamiento local del aire. 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. 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. 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.
ID:5653
Grupo 2: Grupo 2: Iluminación láser y adquisición temporal
Descripción
Un láser pulsado ilumina un plano en dos instantes próximos. La cámara registra las posiciones de los trazadores en ambas exposiciones y el intervalo temporal entre imágenes fija la escala temporal de la medición.
Pregunta clave: ¿Cómo opera iluminación láser y adquisición temporal?
Un láser pulsado ilumina un plano en dos instantes próximos. La cámara registra las posiciones de los trazadores en ambas exposiciones y el intervalo temporal entre imágenes fija la escala temporal de la medición. 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. 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.
ID:5654
Grupo 3: Grupo 3: Correlación cruzada y desplazamiento
Descripción
El plano se divide en ventanas de interrogación superpuestas. La correlación cruzada estima en cada ventana el desplazamiento más probable del patrón de partículas entre las dos imágenes.
Pregunta clave: ¿Cómo opera correlación cruzada y desplazamiento?
El plano se divide en ventanas de interrogación superpuestas. La correlación cruzada estima en cada ventana el desplazamiento más probable del patrón de partículas entre las dos imágenes. 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.
ID:5655
Grupo 4: Grupo 4: Campo vectorial de velocidad
Descripción
El desplazamiento local dividido por el intervalo entre pulsos produce un vector de velocidad. Repitiendo el cálculo sobre todas las ventanas se reconstruye el campo vectorial bidimensional del fluido alrededor del ala.
Pregunta clave: ¿Cómo opera campo vectorial de velocidad?
El desplazamiento local dividido por el intervalo entre pulsos produce un vector de velocidad. Repitiendo el cálculo sobre todas las ventanas se reconstruye el campo vectorial bidimensional del fluido alrededor del ala. 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. 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.
ID:5656
Grupo 5: Grupo 5: Vorticidad e identificación de vórtices
Descripción
La diferenciación espacial del campo de velocidad entrega la vorticidad local. Regiones de vorticidad concentrada permiten identificar estructuras vorticales, incluido el vórtice de borde de ataque.
Pregunta clave: ¿Cómo opera vorticidad e identificación de vórtices?
La diferenciación espacial del campo de velocidad entrega la vorticidad local. Regiones de vorticidad concentrada permiten identificar estructuras vorticales, incluido el vórtice de borde de ataque. 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. Ese desplazamiento, dividido por el breve intervalo de tiempo transcurrido, produce un vector de velocidad local del fluido en esa sub-región del plano.
ID:5657
Grupo 6: Grupo 6: Circulación e intensidad vortical
Descripción
La circulación se obtiene integrando el campo de velocidad alrededor de un contorno o, equivalentemente bajo las hipótesis apropiadas, integrando vorticidad sobre un área. Esta magnitud cuantifica la intensidad del vórtice.
Pregunta clave: ¿Cómo opera circulación e intensidad vortical?
La circulación se obtiene integrando el campo de velocidad alrededor de un contorno o, equivalentemente bajo las hipótesis apropiadas, integrando vorticidad sobre un área. Esta magnitud cuantifica la intensidad del vórtice. 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.
ID:5658
Grupo 7: Grupo 7: Impulso vortical y fuerza aerodinámica
Descripción
El método del impulso vortical usa la distribución de vorticidad y su momento espacial para estimar la fuerza aerodinámica total. La medición es no intrusiva y evita montar sensores mecánicos sobre el insecto.
Pregunta clave: ¿Cómo opera impulso vortical y fuerza aerodinámica?
El método del impulso vortical usa la distribución de vorticidad y su momento espacial para estimar la fuerza aerodinámica total. La medición es no intrusiva y evita montar sensores mecánicos sobre el 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.
ID:5659