Three-dimensional Particle Tracking Velocimetry for Turbulence Applications: Case of a Jet Flow

本实验的目标是为湍流应用建立和优化粒子跟踪测速系统，并将其用于研究射流。这种方法可以帮助使用流的拉格朗日描述来回答湍流场中的关键问题。这种技术的主要优点是它能够在时间和空间中跟踪大量粒子。

虽然这种方法可以提供对湍流和拉格朗日参考系的洞察，但它可以应用于其他应用程序，例如运动捕捉或运动跟踪。本实验的设置用于研究管道射流的中间流场。这个装满水的水箱内有一个水槽，可以产生直径为 1 厘米的射流。

该示意图概述了添加三维粒子跟踪测速设备之前的设置。要准备粒子跟踪，请确定研究区域，即询问体积。在这个实验中，它是一个立方体，其表面与较大体积的表面平行，其最近点距离水槽末端 15 厘米。

选择询问卷后，首先定位主镜。镜子呈金字塔形，安装在实验槽侧面的垂直安装柱上。沿柱子滑动镜子，使其与审讯卷的中心齐平，然后将其固定到位。

接下来，将相机安装在主镜后面。将相机图像的中心设置为与主镜的中心重合。现在，移动到计算机以检查它与相机的连接。

继续设置摄像机和录制软件之间的界面。从主镜及其周围环境的相机视图开始。使用软件的感兴趣区域设置调整摄像机视图的宽度和高度，使其仅覆盖主镜。

下一步是在水箱中放置校准目标以设置次镜。此目标是自定义设计的，以包含整个审讯量。目标具有 1 毫米直径的目标点，用于校准。

首先，在水箱中放置一个可调节高度的平台以支撑目标。将校准目标放置在平台上，并将其定向为面向相机。调整平台的高度，使校准目标的中心与校准体积的中心相匹配。

继续完成四视图拆分器。调整主镜的位置，使其捕获完整的询问体积。次镜安装在主镜两侧的垂直安装柱上。

安装每个次镜，使其与主镜最近一侧的摄像机视图大致对齐。将次镜像固定到位。最终布置应相对于主镜在几何上对称。

使用激光指示器并将其依次对准镜子以可视化图像路径。使用光束路径作为引导对次镜进行最终调整，使视图包含整个校准目标。重复图像路径的可视化，并对其余每个次镜进行调整。

调整完所有反光镜后，监控相机视图的子图像。在计算机上，观察图像的相机视图。在视图分割器上，移动其中一个次镜以调查子图像重叠。

如果只有一个视图随着镜像的移动而变化，则重叠可以忽略不计。四向分流器就位后，关闭摄像机并继续处理灯光。将光源从上方直接面向询问体积放置。

在这个实验中，放大镜被放置在光源正下方的位置，以增强光强度。打开光源并目视检查光线是否均匀分布在整个询问体积上。通过返回使用相机开始优化设置。

调整镜头焦距，直到通过主镜的反射在次镜的所有四个视图中均匀聚焦。确保来自视图分离器的图像是对称的，并显示询问体积。继续调整 f 制光圈，以便能够捕获校准目标上最近和最远的点。

摄像机将仅捕获询问体积中的示踪粒子。此时，求助于录音软件。设置所需的帧速率。

550 赫兹用于此实验。然后根据所选的帧速率最大化感光度。现在，准备拍摄校准目标的校准图像。

将 LED 手电筒安装到目标正上方的水箱上以进行照明。通过四个视图分流器捕获目标的多个图像，用于后续校准步骤。完成后，取下校准目标、其支撑架和灯，以便开始调整照明。

准备少量的种子颗粒以优化照明。取一个盛有水的小烧杯，将种子颗粒加入其中。等待粒子扩散。

颗粒是 100 微米镀银的空心陶瓷球。将混合物倒入水箱中，以帮助优化照明和相机设置。继续关闭房间灯并打开光源。

在计算机上，监视主镜的实时摄像机视图，并通过观察视图之间的粒子密度差异来检查每个视图中的照明。本实验中的几何结构导致顶部两个镜子接收到的光线较少。在设置时，通过在水箱底部的光源下方添加一个平面镜子来解决这个问题。

在光源下，此添加有助于减少整个视图的变化。在相机上，调整增益和黑电平，每个级别都在大约 0 到 500 的范围内。目标是更好地捕获来自粒子的光散射。

在此序列中，将比较使用不同增益和黑色级别的三个静止图像。本实验中使用了增益设置为 300 和黑色设置为 500。关闭光源并打开房间照明。

在计算机上打开用于粒子跟踪测速的软件。这个想法是加载之前拍摄的校准图像之一。使用软件将此图像划分为四个独立的子图像，这些子图像对应于不同的次镜像视图。

将每个子图像保存到不同的文件中。每张图像都将像来自单独的相机一样使用。使用坐标数据和多个相机的步骤继续执行校准步骤。

通过打开测速光源来准备数据收集。接下来，获取种子颗粒并将它们添加到水箱中。等待稳态流在系统中发展。

在房间灯关闭的情况下，监控摄像机视图以验证正确的粒子种子密度，如这段射流的慢速视频所示。如果满意，则记录所需数量的流图像。收集数据后，通过将收集的图像划分为 4 个子图像并存储它们来开始数据处理。

完成此作后，打开的 PTV 屏幕会出现，顶部有菜单选项，右侧显示不同摄像机视图。移动到菜单项中的 start 选项卡，然后单击以显示选项。单击 image restart（图像重启）以加载数据中第一个 Raw 图像的四个相机视图。

将鼠标光标移动到 run 目录并单击它。从那里单击 main parameters。在新窗口中，转到 常规 选项卡。

输入摄像机数量，在本例中为 4。继续在其他选项卡下输入参数。完成后，移动鼠标以单击 preprocess 菜单项。

那里点击高通滤波器。结果是加强了四个图像中的光散射。同样在预处理菜单项下，找到并单击粒子检测以确定每个检测到的粒子的质心。

然后，再次在 preprocess 菜单项下，单击 correspondences 以建立立体对应。接下来，移至 3D positions 菜单项。在其下选择 3D 位置，以根据校准确定检测到的颗粒的三维位置。

在序列菜单项下，查找并单击 sequence without display，以对所有收集的图像序列重复预处理步骤。现在，输入用于识别要跟踪的粒子的参数。通过选择跟踪菜单项继续。

从那里，选择 Tracking without display （不显示跟踪） 以关联相邻帧。并选择检测到的颗粒以可视化 3D 重建的颗粒。跟踪完成后，转到跟踪菜单项并选择它。

单击 Show trajectories 以可视化每个相机视图中的轨迹。现在，每个摄像机视图都描绘了粒子轨迹。此外，还创建了一个数据文件用于后处理。

这是平面周围中间场区域中以管道射流直径的 16 倍的三种代表性粒子轨迹的样本。当与喷流核心的距离较小时，在这些数据的一秒时间间隔内观察到更长的轨迹。随着与射流核心的距离增加，轨迹长度减小。

在管道射流直径的三倍处，示踪粒子表现出短而复杂的轨迹。以下是所有成功重建的穿过同一平面的粒子轨迹。速度分布范围从射流出口速度的 0 到 60%。

低速在频谱的蓝色范围内，而高速在红色范围内。分析表明，射流核心附近的粒子表现出更平滑的轨迹。粒子跟踪允许计算沿粒子轨迹的曲率。

这是两个平面的平均曲率乘以管道射流直径与缩放径向距离的关系图。一个在 16 个管道射流直径处，另一个在 17 个管道射流直径处。两者都单调增加，但距离管道出口较远的平面在射流芯外的平均曲率减小。

该图提供了有关飞机超出管道出口的 16 个管道射流直径中射流的平均流速分布的信息。一旦掌握了这项技术，如果执行得当，可以在六个小时内完成，不包括使用软件的处理时间。在尝试此过程时，请务必记住要有均匀的照明、正确的相机设置和足够数量的种子粒子。

观看此视频后，您应该对如何设置视图分离器、组装光源、控制摄像机参数和优化 PTV 系统有很好的了解。该技术发展后，为湍流领域的研究人员探索拉格朗日流动力学的实验研究铺平了道路。