本文介绍了一种基于高速相机和四视角分光器的三维粒子跟踪测速系统（3D-PTV）。该技术应用于雷诺数 Re ≈ 7,000 时，圆形管道下游约十个管径距离范围内的射流流动研究。
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本文内容
摘要
摘要
3D-PTV 是一种定量流动测量技术，旨在通过立体成像序列记录，追踪一组粒子在三维空间中的拉格朗日轨迹。本文描述并讨论了由高速相机与四视角分光器构成的 3D-PTV 系统拓扑结构的基本组件、特征、约束条件及优化建议。该技术应用于雷诺数 Re ≈ 7,000 的圆形射流的中间流场区域（5 <x/d <25）。在射流出口下游约十个直径处及距射流中心轴不同径向距离的位置，估算了拉格朗日流动特征和欧拉框架下的湍流参数。拉格朗日参数包括选定粒子的轨迹、速度和加速度，以及流线曲率，这些参数由弗勒内-塞雷方程（Frenet-Serret equation）求得。将射流中心轴周围、位于射流出口下游十个直径处横截面上的三维速度场和湍流场的估算结果与文献数据进行了对比，并在距射流中心不同径向位置获得了大尺度流向速度运动的功率谱。
引言
湍流射流在工程应用中普遍存在。对这类流动进行详细表征，在从大规模环境排放系统到电子微尺度器件的广泛实际问题中至关重要。由于射流流动对众多重要应用具有显著影响，相关研究已十分深入1-4。多种实验技术已被用于在不同雷诺数和边界条件下表征射流流动，包括热线风速仪4-8、激光多普勒测速仪（LDV）4,9-12以及粒子图像测速技术（PIV）12-16。近年来，已有少数研究采用三维粒子追踪测速（3D-PTV）来研究射流流动中湍流与非湍流的交界面17,18。3D-PTV 是一种能够从不同视角描述复杂湍流场的特殊技术，它利用多视角立体成像，在拉格朗日参考系下重建流场体积内的粒子运动轨迹。该技术最初由 Chang19 提出，随后由 Racca 和 Dewey20 进一步发展。此后，3D-PTV 的算法和实验装置已得到多项改进21-24。基于这些进展和前期工作，该系统已成功应用于研究多种流体现象，例如在 4 m × 2 m × 2 m 域内的大尺度流体运动25
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方案
1. 实验室安全
- 查阅所选照明光源的安全使用指南（例如 激光、工业LED、卤素灯
注意：本实验使用一组五个250瓦卤素聚光灯作为光源。该光源的基本安全事项和使用建议如下所述。- 避免直接接触卤素灯，因其工作温度较高（约3,000 K色温）。
- 仅在采集数据时开启光源，以避免加热待测流体。
- 远离光源处放置所有易燃材料，包括各种纸张。
2. 实验设置
- 选择合适的镜头
- 选择像差较小的镜头，以避免校准问题。推荐使用远摄镜头或微距镜头。
- 通过估算所需放大倍数 M，确保镜头在物距 O 范围内覆盖所需的视场（FOV）。
注：放大倍数为相机芯片长度与视场之比，物距可由公式 O = f(1/M + 1) 计算得出，其中 f 为镜头焦距。本实验中，相机芯片长度为 20.34 mm，对应的视场（即主反射镜）为 50 mm，且物距受限于 O ≤ 250 mm（由于安装相机和视图分束器的滑轨长度有限）。因此，放大倍数 M = 20.34/50 = 0.41，在给定物距范围内对应的近似焦距为 f ≤ 72.7 mm。故本实验采用焦距为 60 mm、光圈比为 f/2.8D ....
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结果
装置的照片和示意图如图 1和图 2所示。标定靶、视场分光器上反射的基准标记以及三维标定重建结果如图 3所示。在流向 x、展向 y 和深度 z 方向上，识别出的标定靶点的均方根误差（RMS）分别为 7.3 µm、5.7 µm 和 141.7 µm。z 坐标方向上相对较高的 RMS 值是由于该方向上的标定靶点数量较少，且四个视角相对于 z 轴的夹角较之 x 和 y 坐标方向更小所致。在任一时刻，四个视角中检测到的粒子数量均在 103 量级。在所有检测到的粒子中，由于仅有位于交叠区域内的粒子被成功捕捉，因此成功实现三维重建的粒子数量减少至大约一半。视频 1 展示了四视角分光器拍摄的射流流动的高速视频样本。
中间场区域内四个代表性粒子轨迹的样本，这些轨迹位于 x/d 附近并穿过该区域
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讨论
3D-PTV 在揭示多种湍流的复杂物理机制方面具有巨大潜力，例如近地面大气中的大尺度湍流运动25，室内空气分布26或主动脉拓扑结构中的脉动流28 以及其他众多因素。然而，充分理解其优势与局限性并积累相关经验，对于最大化发挥其潜力至关重要。为确定最佳设置（包括帧率、照明光源、G）而进行的试错性初步测试和 exhaustive iterations（详尽迭代）是必不可少的。&B 水平和图像滤波方法与重建一组（的拉格朗日路径的能力直接相关例如，示踪）颗粒。需要注意的是，关键的实验步骤（如本实验所示）是调整G&B 水平以及视场的照明情况（包括卤素点光源、放大透镜和水槽底部反射镜的组合）。
这些调整有助于将光散射优化至四个视图的检测范围内。在确定了高保真测量的实验参数后，应进行全面的调整和故障排查，以根据帧率、相机分辨率和检测区域体积的大小，计算出可准确追踪的粒子轨迹的最大数量。尽管提高帧率可以增加捕获的粒子数量，但需要注意的是，3D-PTV 中可追踪的粒子数量远低于PIV。3.......
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披露
作者声明不存在任何竞争性经济利益。
致谢
本工作由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校机械科学与工程系资助，属于Leonardo P. Chamorro启动计划项目的一部分。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| Mikrotron 4CXP 4 通道 CXP-6 CoaXPress | ImageOps | CAMMC4082 | 高速相机 |
| Active Silicon FireBird CoaX 帧采集卡 | ImageOps | FBD-4XCXP6 | 帧采集卡 |
| 100 μm 镀银中空陶瓷微球 | Potters Industries LLC | AG-SL150-30-TRD | 示踪粒子 |
| StreamPix6 | Upstate Technical Equipment CO.,INC | MISNOR-STP-6-S-CL | 相机应用软件 |
| 四视角分光器 | Photrack AG | 定制部件，若使用单台相机进行三维粒子追踪测速（3D-PTV）则为必需 | |
| 250 瓦卤素聚光灯 | General Electrics | 23719 | 光源 |
| OpenPTV（软件） | OpenPTV（http://www.openptv.net） | 开源粒子追踪软件（注：可为希望免于繁琐安装过程或缺乏足够计算资源的用户提供服务形式的使用支持） |
参考文献
- Wygnanski, I., Fiedler, H. Some measurements in the self preserving jet. , Cambridge university press. (1968).
- Rajaratnam, N. Turbulent jets. , Elsevier. (1976).
- Panchapakesan, N., Lumley, J.
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重印与许可
