Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles in Turbulence

Zusammenfassung

Wir verwenden den 3D-Druck, um anisotrope Partikel in Form von Wagenhebern, Kreuzen, Tetraden und Triaden herzustellen, deren Ausrichtungen und Rotationen in turbulenten Strömungen anhand mehrerer gleichzeitiger Videobilder gemessen werden können.

Zusammenfassung

Experimentelle Methoden zur Messung der Rotations- und Translationsbewegung der anisotropen Teilchen in turbulenten Fluidströmen dargestellt. 3D-Drucktechnologie wird verwendet, Partikel mit schlanken Arme an einem gemeinsamen Zentrum verbunden herzustellen. Formen erforscht sind Kreuze (zwei senkrechten Stangen), Buchsen (drei senkrechten Stangen), Triaden (drei Stäbe in dreieckigen planaren Symmetrie) und Tetraden (vier Arme in tetraedrischer Symmetrie). Verfahren zum in der Größenordnung von 10.000 fluoreszenzgefärbten Partikeln werden beschrieben. Die zeitaufgelöste Messungen von ihrer Ausrichtung und Festkörperdrehrate von vier synchronisierten Videos ihrer Bewegung in einer turbulenten Strömung erhalten werden zwischen den Gittern mit R _λ = 91. In diesem relativ niedriger Reynolds - Zahl Fluss oszilliert, sind die advektiert Partikel klein genug dass sie ellipsenförmigen Tracerpartikel nähern. Wir präsentieren Ergebnisse der zeitaufgelösten 3D Trajektorien von Position und Orientierung der Partikel alsund Messungen ihrer Drehraten.

Einleitung

In einer kürzlich erschienenen Publikation haben wir die Verwendung von Partikeln aus mehreren schlanken Arme zur Messung von Drehbewegung von Teilchen in Turbulenzen ¹ gemacht. Diese Partikel können mit Hilfe von 3D-Druckern hergestellt werden, und es ist möglich, genau ihre Position messen, Ausrichtung und Drehrate unter Verwendung mehrerer Kameras. Verwendung von Werkzeugen aus schlanken Körper Theorie kann gezeigt werden , dass diese Partikel zu denen ihrer jeweiligen wirksamen Ellipsoide wirksamen Ellipsoide ² und die Drehbewegungen dieser Partikel sind identisch haben entspricht. Teilchen mit symmetrischen Armen gleicher Länge drehen wie Kugeln. Ein solches Teilchen ist eine Buchse, die drei zueinander senkrechten Armen hat in seiner Mitte angebracht ist. Einstellen der relativen Längen der Arme des Hebers kann ein Teilchen entspricht jeder dreiachsigen Ellipsoid bilden. Wenn die Länge eines Armes gleich Null gesetzt wird, entsteht ein Kreuz, dessen äquivalente Ellipsoid ist eine Scheibe. Teilchen aus slenderArme nehmen einen kleinen Teil des festen Volumen ihrer festen Ellipsoid-Pendants nach oben. Als Ergebnis sedimentieren sie langsamer, sie leichter zu Dichte Spiel zu machen. Dies ermöglicht die Untersuchung der viel größeren Teilchen als bei festen ellipsoidale Teilchen bequem ist. Zusätzlich können Bildgebung bei viel höheren Partikelkonzentrationen durchgeführt werden, da die Teilchen einen kleineren Bruchteil des Lichts von anderen Partikeln zu blockieren.

In diesem Dokument werden Verfahren zur Herstellung und Verfolgung von 3D-gedruckten Teilchen dokumentiert. Werkzeuge für die Translationsbewegung von sphärischen Teilchen aus Partikelpositionen Verfolgungs wie durch mehrere Kameras gesehen wurden von mehreren Gruppen ^3,4 entwickelt. Parsa et al. ⁵ erweitert diesen Ansatz Stangen der von mehreren Kameras gesehen Stangen unter Verwendung der Position und Orientierung zu verfolgen. Hier stellen wir Verfahren zur Partikel einer Vielzahl von Formen Herstellung und ihre 3D-Orientierungen zu rekonstruieren. Dies bietet the Möglichkeit 3D-Tracking von Partikeln mit komplexen Formen zu einer Vielzahl von neuen Anwendungen zu erweitern.

Diese Technik hat ein großes Potenzial für die weitere Entwicklung aufgrund der Vielzahl von Partikelformen, die entworfen werden können. Viele dieser Formen haben direkte Anwendungen in der Umwelt fließt, wo Plankton, Samen und Eiskristalle von Formen in einem breiten Spektrum kommen. Die Verbindungen zwischen Partikel Drehungen und Grundklein Eigenschaften turbulenter Strömungen ⁶ deuten darauf hin , dass das Studium der Umdrehungen dieser Teilchen , neue Wege bei der turbulenten Kaskadenprozess zu suchen zur Verfügung stellt.

Protokoll

1. Herstellung von Partikeln

1. Verwenden Sie ein 3D-Computer Aided Drafting Programm Partikelmodelle erstellen. Exportieren Sie eine Datei pro Modell in einem Dateiformat, das verwendet wird durch die 3D-Drucker verarbeitet werden kann.
   1. Verwenden Sie den Befehl Kreis einen Kreis mit einem Durchmesser von 0,3 mm zu ziehen. Verwenden Sie die Extrude-Funktion einen Zylinder mit einer Länge von 3 mm zu machen.
   2. Machen Sie ein Kreuz mit zwei orthogonalen Zylinder mit einem gemeinsamen Zentrum; machen eine Buchse mit drei zueinander senkrechten Zylinder mit einem gemeinsamen Zentrum; machen einen tetrad mit vier Zylindern ein gemeinsames Ende bei 109,5 ° Winkel zu einem Austausch von anderen; bilden eine Triade mit drei Zylindern in einer Ebene ein gemeinsames Ende bei 120 ° Winkel zueinander teilen.
   3. Zum Kippen Zylinder (im Folgenden als "Arme" der Teilchen genannt) in Bezug zueinander stehen, verwenden Sie das Drehen 3D-Befehl, um eine Linie quer über den Durchmesser des Kreises, der an einem seiner Enden zu ziehen und geben Sie dann den gewünschten Drehwinkel.
   4. Verwenden Sie die Union Befehl join den verschiedenen Armen zusammen in einem einzigen wasserdichten Objekt.
   5. Verwenden Sie wieder drehen 3D um das Objekt zu kippen, so dass keine Arme entlang der vertikalen oder horizontalen Achsen sind, weil die Arme, die entlang dieser Achsen liegen neigen Defekte zu haben, brechen leichter, oder verflachen.
   6. Exportieren Sie jedes Objekt in einer separaten Datei in einem Format, das von 3D-Druckern verwendet werden kann.
2. Bestellen Sie ca. 10.000 Partikel jeder Art von einer kommerziellen Quelle, die in einem verfügbaren Anlage für additive Fertigung oder drucken Sie sie spezialisiert ist. Partikel sollten auf einem Polymerextrusionsdrucker gedruckt werden, die eine Trägermatrix aus einem anderen Material verwendet, das weggelöst werden kann.
   1. Um die Partikel drei Wochen oder mehr vor Experimente geplant, da die Anordnung und den Druck von so vielen Teilchen ist ein langsamer Prozess. Stellen Sie sicher, dass Partikel auf "hochauflösenden Modus" gedruckt werden, weil die Partikel in der Nähe der minimalen Strukturgröße von vielen 3D-Drucker und eine sindrms nicht so symmetrisch sein und brechen kann, wenn bei niedriger Auflösung gedruckt.

2. Herstellung von Teilchen

1. Bereiten Sie eine Salzlösung, in der die Teilchen neutral tariert sind, um Partikel zu minimieren 'Arme während der Lagerung Biegen und damit Gravitations- und Auftriebskräfte nicht in der Analyse berücksichtigt werden.
   1. Testen durchschnittliche Partikeldichten von Partikeln in Lösungen von Wasser gemischt mit Calciumchlorid (CaCl ₂₎ bei Dichten von rund 1,20 g / cm ³ eingetaucht.
      1. Um die Wasserdichte, erste Null eine Skala, während eine leere 100 ml Messkolben ist oben drauf bestimmen. Nehmen Sie den Kolben ab und füllen es mit Wasser gemischt mit CaCl _2. Der Kolben wird wieder oben auf der Skala und teilen Sie die gegebene Masse von 100 ml.
         Hinweis: Da 1 ml = 1 cm ^3, 1 g / ml = 1 g / cm ^3.
      2. Testpartikel in vielen verschiedenen Lösungsdichten von 1,16 bis hin g / cm3-1,25 g / cm ^3, etwa 0,01 g / cm ³ Schritten. Testen Sie mehrere Teilchen bei jeder Dichte, weil nicht alle Teilchen die gleiche Dichte haben wird: in der gleichen Lösung, sinken einige, einige neutral tariert sein, und einige werden schweben.
   2. Die Bilanz, bei der Dichte Partikel sind im Durchschnitt neutral tariert nach mehreren Stunden.
      Anmerkung: Die Dichte gefunden von der Schüttdichte der Teilchen Hersteller angegebenen erheblich verschieden sein können.
   3. Mischungs etwa 400 kg CaCl ₂ in etwa 1,600 l Wasser , bis die Lösung bei der Dichte in 2.1.1 aufgezeichnet ist - 2.1.2.
   4. Entfernen etwa 1 L dieser gemischten Lösung pro Teilchenart (Buchsen, Tetraden, etc.) für die Speicherung von Teilchen verwendet werden. Halten Sie jede Liter in einem anderen Behälter bei Raumtemperatur. Speichern den Rest der Lösung bei Raumtemperatur in einem großen Vorratstank.

Abbildung 1. A Buchse in verschiedenen Stadien der Harzentfernung. A) Die Blöcke von Trägerharz , das die Partikel kommen in. B) Ein einzelner Block vom Rest getrennt. Ce) Mehrere Stufen der Harzentfernung erfolgen von Hand. F) ein einheitliches Buchse nach dem NaOH - Bad und Rhodamin-B - Farbstoff. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Lösen manuell das Trägermaterial , in dem die Partikel sanft umhüllt kommen durch die großen Stücke zu brechen (~ 5 mm x 320 mm, von der ein Teil in 1a gezeigt ist) in kleine Abschnitte (~ 5 mm x 5 mm, Figur 1b), dann manuell jeden Abschnitt massieren , bis ein Großteil des überschüssigen Harzes gelöst hat (Abbildung 1c-e). Remove überschüssiges Harz auf diese Weise die Menge der NaOH-Lösung zu reduzieren, die für die Schritte 2.2.1 erstellt werden müssen - 2.2.4.
   1. Die restlichen Harzblock in einer 10 Masse-% Natriumhydroxid (NaOH) -Lösung in einem Ultraschallbad für eine Stunde eingetaucht. Das Harz ist ein anderes Material als die Partikel, so dass die NaOH wird das Harz zu entfernen, ohne die Partikel dauerhaft beeinträchtigen.
      ACHTUNG: Die Lösung ist ätzend und wird heiß, während im Ultraschallbad zu bekommen.
   2. Filtern Partikel.
      1. Um Partikel zu filtern, erstellen Sie einen Trichter mit Netting mit 0,1016 cm x 0,13462 cm Kunststoff-Löcher. Halten Sie den Trichter über den Behälter für die Entsorgung der Lösung NaOH verwendet werden, und die Lösung langsam durch gießen. Entsorgen NaOH-Lösung im Einklang mit Umwelt- und Sicherheitsrichtlinien.
   3. Rinse Partikel vorsichtig mit Wasser, bevor sie in einem neuen 10 Masse-% NaOH-Lösung in einem Ultraschallbad für eine halbe Stunde eingetaucht wird.
   Filtern Partikel wie in 2.2.2.1 und lagern in der Dichte abgestimmte Lösung getrennt in 2.1.4, während sie zu härten. Behandeln Sie die Partikel vorsichtig, da die NaOH-Lösung vorübergehend sie weich wird.
   Hinweis: Wenn Partikel nicht in einer Dichte abgestimmte Lösung gespeichert sind, biegen einige Arme können. sie in der Dichte abgestimmte Lösung eingetaucht zu halten für mehrere Stunden können auch einige Hohlräume in dem Kunststoff mit Flüssigkeit zu füllen.

Farbstoffpartikel mit Rhodamin-B mit Wasser gemischt, so dass sie unter dem Licht fluoreszieren mit einem grünen Laser emittiert.

1. Bereiten Sie eine 1 l-Lösung von Rhodamin-B-Farbstoff in Wasser bei einer Konzentration von 0,5 g / L (anschließend bezeichnet als "Farbstoff").
   ACHTUNG: Giftig.
2. Erhitzen des Farbstoffes auf eine Temperatur zwischen 50 und 80 ° C, abhängig von Partikelmaterial. Verwenden Sie höhere Temperaturen für härtere Kunststoffe; zu hohe Temperatur unter Verwendung führt in die Arme zu biegen.
3. Setzen Sie ~ 2.500 Teilchen, genug, um locker füllen ~ 25 ml in die Dichte angepaßten Speicherlösung in dem Farbstoff und halten alle bei 80 ° C für zwei bis drei Stunden der Farbstoff zu ermöglichen, in das Polymer zu absorbieren. Entfernen Partikel , sobald sie rosa, wie die in Figur 1f sind.
   ACHTUNG: Die Wärme wird die Partikel vorübergehend mildern.
4. Filtern Partikel und spülen Sie sie vor der Lagerung in den dafür vorgesehenen Lösungen in 2.1.4 getrennt. Die Teilchen einen kleinen Bruchteil ihres Farbstoff verlieren, die Lösung rosa zu machen, aber unter dem Wasserhahn gespült hilft zu verhindern, eine nachteilige Menge an Farbstoff zu verlieren.
   Hinweis: Durchschnittliche Partikeldichte wird aufgrund Färben geändert, so testen, wieder wie in 2.1.1-2.1.2 die neue Lösung Dichte zu finden, an denen Partikel im Durchschnitt neutral tariert.

Ändern bulk CaCl ₂ -Lösung (von 2.1.3) Dichte nach Bedarf. Wiederholen 2.1.4 und neue Volumina Dichte abgestimmte Lösung zu entfernen. Entsorgen ehemaligen Speicherlösungen, die jetzt kleine Mengen von Rhodamin-B d habenihr in ihnen, im Einklang mit Umwelt und Gesundheit und Sicherheitsvorschriften.

Wiederholen 2.3.2-2.3.4 für aufeinanderfolgende Sätze von ~ 2.500 Teilchen alle Teilchen die gleiche Form in der gleichen Dichte angepaßten Speicherung in 2.4 erstellt Lösungen, aus Partikeln unterschiedlicher Formen getrennt.
Hinweis: Nach ca. 5 Wiederholungen von 2.3.2-2.3.4, wird die Rhodamin-B-Lösung nicht mehr hoch genug Konzentration sein, um effektiv Partikel färben.

Entsorgen Sie die Lösung in 2.3.1 im Einklang mit Umwelt- und Sicherheitsbestimmungen erstellt, dann wiederholen 2.3.1 und erstellen Sie eine neue 0,5 g / l Lösung, mit der Teilchen zu färben.

Wiederholen 2.6 alle 5 Wiederholungen von 2.3.2-2.3.4.

3. Experimentelle und Optischer Aufbau

Abbildung 2. Versuchsaufbau. In dem achteckigen Fluss zwischen oszillierenden Gitter, einem zentralen Betrachtungsvolumen im Fokusdie vier Videokameras durch einen grünen Nd beleuchtet wird. YAG Laser a) Seitenansicht , die zeigt , wie die vier Kameras angeordnet sind , und an einen Computer angeschlossen. Abbildung aus ^13. B) Draufsicht zeigt , Laser, Spiegel und Linsenkonfiguration gleichmäßige Ausleuchtung im zentralen Volumen zu erreichen. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

1. Bereiten Sie die Kameras.
   1. Verwenden Sie Kameras, die mindestens 1-Megapixel-Auflösung bei 450 Bildern pro Sekunde.
   2. Ordnen Sie die Kameras, so dass jede Kamera zeigt und auf konzentriert, die Mitte des Betrachtungsvolumens. Weniger Kameras verwendet werden, kann jedoch durch einen anderen Arm eines Arms eines Partikels Abschattung begrenzt die Orientierungsmessgenauigkeit und weniger Kameras zu haben, macht Experimente anfälliger für diesen Effekt. Die Verwendung von mehr als vier Kameras ebenfalls Orientierung Measurem erhöhen könnteent Präzision, weil es die Möglichkeit von Waffen reduzieren, die eine primäre Quelle der Unsicherheit ist auf allen Kameras beschattet wird.
   3. Positionieren Sie die Kameras mit großen (~ 90 °) Winkel zwischen jedem Paar unterliegt Einschränkungen der Vorrichtung. Platzieren Kameras wie in Abbildung 2 gezeigt experimentellen Zugang und die Größe des Winkels zwischen den einzelnen Kameras zu balancieren. Minimieren optische Verzerrungen durch den Bau von Sichtöffnungen in das Gerät senkrecht zu jeder Kamera Blickrichtung.
   4. Verwenden Sie 200 mm Makro-Objektive auf jede Kamera die gewünschte Messvolumen von einem Arbeitsabstand von einem halben Meter zu erhalten. Das Volumen von allen vier Kameras betrachtet bestimmt die Detektionsvolumen, das etwa 3 x 3 x 3 cm ³ ist.
   5. Kalibrieren Sie die Kameras Transformation von gemessenen Pixelpositionen zu ermöglichen, im 3D-Raum-Koordinaten.
      1. Stellen Sie die Öffnungen auf f / 11 und Halterung 532 nm Sperrfilter Laserlicht zu entfernen, während ermöglicht wird, durch längere wavelength Fluoreszenz auf die Kameras
      2. Legen Sie eine Bildkalibrierung Maske in den Tank füllen den Tank mit der Gesamtlösung von 2,4, und die Maske zu beleuchten.
      3. Stellen Sie die Kameras, so dass sie jeweils die Maske im Auge haben, und sie alle konzentrieren sich auf den gleichen Punkt auf der Maske. sorgfältig ausrichten Kameras, die Form des Detektionsvolumen zu optimieren.
      4. Seien Sie vorsichtig, so wenig wie möglich über den optischen Aufbau von diesem Punkt an zu ändern.
      5. Erwerben und Speichern von Bildern der Maske von jeder Kamera.
      6. Drain, die Lösung aus dem Tank und der Pumpe zurück wo es zuvor gespeichert worden waren.
      7. Extrahieren Sie die Parameter, die die Position angibt, Blickrichtung, Vergrößerung und optische Verzerrungen jeder Kamera aus den Kalibrierungsbilder. Tun Sie dies durch Orte auf der Kalibriermaske sichtbar auf allen vier Kameras und definieren den Abstand zwischen diesen Punkten zu identifizieren. Mit Hilfe dieser Informationen verwenden Standard-Kalibrierungsverfahren relevant pa zu extrahierenmetern.
         Hinweis: Das Basiskalibrierungsmethode wird in Tsai beschrieben, 1987 ⁷ Die Umsetzung in diesen Experimenten verwendet wird , in Oullette et al ³ Forscher wollen Kamerakalibrierungssoftware zu entwickeln , auch ⁴ OpenPTV betrachten wünschen können...
      8. Erstellen Sie eine endgültige Kalibrierungsdatei eine dynamische Kalibrierungsprozess verwendet wird. Dies geschieht nach Tracerpartikel Daten erfasst worden. Verwenden eines nicht-linearen Kleinste-Quadrate-Suche die Kamerakalibrierungsparameter zu optimieren und die kleinste Abweichung zwischen den Positionen der Teilchen erhalten, auf mehrere Kameras gesehen. Diese Methoden werden in Ref. ⁸ beschrieben und ^9.
2. Mit einem gütegeschalteten grünen Nd: YAG-Laser der Lage 50 W Durchschnittsleistung (im Folgenden als "Laser" bezeichnet), beleuchten einen Zylinder in der Mitte des Tanks mit etwa 3 cm Querschnittsdurchmesser, wobei der Strömungs homogen ist. ⁸
   Hinweis: Die Laserleistung wird spbei einer Impulsfrequenz von 5 kHz ecified. Die Pulsfrequenz in diesen Experimenten beträgt 900 Hz, wo die Ausgangsleistung deutlich niedriger.
   1. Aufgespalten, das Licht von dem Laser einen Strahlteiler und verwenden Spiegel einen Strahl in die Vorderseite des Tanks und die andere, senkrecht zu der ersten, in die Seite des Tanks zu führen.
   2. Legen Sie zwei zusätzliche Spiegel außerhalb des Tanks, gegenüber denen die Strahlen treten, um Licht in den Tank zurück zu reflektieren und schaffen eine gleichmäßige Ausleuchtung, dramatisch Schatteneffekte zu verringern.
      Hinweis: Die Längenskala von Interferenzeffekten von den sich gegenläufig ausbreitenden Strahlen zu klein ist, signifikant diese Versuche beeinflussen.

4. Führen Sie die Experimente

1. Bereiten Sie Video von jeder Kamera aufzeichnen.
   1. Programm eine Bildkompressionssystem , das Daten unerwünschte Bild in Echtzeit beseitigt. ^{10, 1 3}
      1. Wenn die Kamera noch not haben ein Teilchen im Blick, nicht das Bild zu speichern.
      2. Wo gibt es helle Pixel, nur die Lage und die Helligkeit der hellen Pixeln anstelle des gesamten Bildes zu speichern.
         Hinweis: Da jeder Partikel typischerweise etwa 5,000 hellen Pixeln umfasst, und es gibt selten mehr als ein Teilchen in Ansicht zu einer Zeit, die Bildkomprimierungssystem dramatisch die Speichermenge reduziert, die erforderlich mit Hochgeschwindigkeitskameras für viele Stunden aufzuzeichnen.
   2. Bereiten Sie die Daten acquisitioning Software.
2. Bereiten Sie die turbulente Strömung in einem 1 x 1 x 1 m ³ achteckigen Behälter mit zwei parallelen 8 cm Maschengitter in Phase schwingen. ⁸
   1. Pumpen Sie die CaCl ₂ -Lösung von 2,4 in eine Vakuumkammer und halten es in der Kammer über Nacht zum Entgasen der Lösung, die Luftblasen in den Experimenten minimiert.
   2. Pumpenlösung aus der Vakuumkammer durch ein 0,2 um-Filter in den achteckigen Tank, wo Versuche will durchgeführt werden.
3. Führen Sie das Experiment.
4. Wählen Sie eines Partikeltyp (Tracerpartikel, Buchsen, Kreuze, Tetraden oder Triaden), die für die erste Runde der Experimente verwendet werden, und fügen Sie alle 10.000 dieser Teilchen in dem Wasser durch eine Öffnung an der Oberseite des Geräts. Schließen Sie diesen Port nach Teilchen hinzugefügt wird.
   1. Schalten Sie den Laser auf.
   2. Set Kameras und Laser auf einen externen Trigger und die Frequenz des Trigger bis 450 Hz für die Kameras und 900 Hz für den Laser zu reagieren. Verwenden Sie den externen Trigger alle Kameras Erfassung beginnen gleichzeitig zu gewährleisten, und bleiben während der Aufnahme synchronisiert
   3. Öffnen Sie die Laseröffnung.
   4. Stellen Sie das Gitter auf die gewählte Frequenz (1 oder 3 Hz) und starten Sie es läuft. Vor der Datenerfassung beginnen, führen Sie das Raster für ca. 1 min Turbulenz zu ermöglichen, vollständig zu entwickeln.
   5. Nehmen Sie 10 ⁶ Frames , um die Dateigröße überschaubar zu halten und eventuelle Fehler zu halten, die im Bild auftreten können ,Kompressionssysteme von zu viel Daten zu gefährden.
   6. Schließen Sie die Laseröffnung und die Kamera-Trigger zu stoppen. Setzen Sie die Bildkompressionssysteme und die Kameras.
      1. Überprüfen Sie, ob die Videodateien nicht durch Betrachten Teile jeder Datei beschädigt sind.
   7. Wiederholen 4.4.1 - 4.4.6 bis 10 ⁷ Bilder wurden bei der gewählten Netzfrequenz für die gewählte Teilchen aufgezeichnet worden sind .
5. Ändern, um die Netzfrequenz an die man nicht in 4.4.4 gewählt und wiederholen 4.4.4 - 4.4.7
6. Leeren Sie den Tank und filtern das Wasser, um alle Teilchen zu entfernen. Speichern Partikel im Wasserspeicher von 2,4, falls gewünscht.
7. Wiederholen Sie 4,4-4,6 für alle Partikeltypen.
8. Nachdem alle Versuche abgeschlossen sind, kalibrieren Kameras noch einmal, wie in 3.1.5-3.1.5.7.

5. Datenanalyse

Hinweis: Dieser Abschnitt des Protokolls gibt einen Überblick über den Prozess verwendet, um Partikelorientierungen und Drehraten erhalten. Die spezifische pROGRAMME verwendet, zusammen mit Testbildern und Kalibrierungsdateien, als Ergänzung zu dieser Veröffentlichung enthalten sind, und sind offen von allen interessierten Leser zu verwenden. (Siehe die Datei "Use_Instructions.txt" in der Zusatzdatei "MATLAB_files.zip".)

1. Mit der Kamerakalibrierungsparameter, erhalten die 3D-Position und Ausrichtung von Bildern von Partikeln auf mehreren Kameras.
   1. Bei jedem Rahmen, finden in der Mitte des Partikels an jedem der vier Bilder. Alle Partikel, die in diesen Experimenten sind ausreichend symmetrisch, daß der Mittelpunkt des Objekts in der geometrischen Mitte der hellen Pixel auf dem Bild ist, wenn aus jeder Perspektive betrachtet.
   2. Finden Sie die 3D - Position des Teilchens durch stereomatching seine gleichzeitige 2D - Positionen auf allen vier Kameras ^{3, 8.}
   3. Erstellen eines numerischen Modells des Teilchens, das auf jeder Kamera projiziert werden kann, um die Intensität in dem Bild von dieser Kamera zu modellieren.
      1. Modellieren Sie die paArtikel als Verbund von Stäben. Mit der Kamerakalibrierungsparameter aus 3.1.5.7 und 3.1.5.8, ragen die beiden Endpunkte jeder Stange auf die Kameras und dann die Verteilung der Lichtintensität Modell in zwei Dimensionen, mit einer Gauß-Funktion über die Breite der Stange und einem Fermi -Dirac Funktion über seine Länge nach Software-Protokoll.
      2. Modell Lichtintensität in zwei Dimensionen auf diese Weise die Berechnungskosten der Datenanalyse zu minimieren. Projektion eines vollständigen dreidimensionalen Modells des fluoreszierenden Partikel auf diesem Ansatz verbessern könnte, würde aber viel rechenintensiv sein.
      3. Klicken Sie auf Ausführen der Analyse beginnen.
   4. Wählen Sie eine erste Schätzung der Partikelorientierung.
      1. Wenn das erste Bild zu analysieren, in dem diese Teilchen sichtbar ist, kann die erste Vermutung eine zufällige Reihe von Euler-Winkel sein.
      2. Wenn diese Teilchen in mindestens einem vorherigen Frame war, verwenden Sie die gefunden Ausrichtung des vorherigen Bildes unter Verwendung alsdie anfängliche Vermutung.
   5. Durchführen einer nichtlinearen kleinsten Quadrate die Partikelorientierung zu bestimmen.
      1. die drei 3D-Position optimieren Koordinaten und die drei Euler-Winkel, so dass der quadrierte Differenz zwischen der gemessenen Intensität und der 2D-Projektion des Modells auf allen vier Kameras gemäß Softwareprotokoll minimiert wird.
         Hinweis: Es gibt mehrere Konventionen für die Definition von Euler-Winkel. Definieren die Winkel (φ, θ, ψ), wie folgt: φ ist eine erste Drehung um die z - Achse, die Schaffung neuen Achsen x 'und y'; θ ist eine Drehung um x ', die Schaffung neuer Achsen z' und y ''; ψ ist eine Drehung um die neue z' - Achse. ¹¹
   6. Wählen, um die Orientierung, welche die kleinste Drehung in Bezug auf den vorhergehenden Rahmen erfordert. Für eine Buchse, fand die Euler-Winkel eine der 24 symmetrischen Orientierungen geben; foder ein tetrad es eines von 12 symmetrischen Orientierungen; für ein Kreuz, ist es eines von 8 symmetrischen Orientierungen; und für eine Triade ist es eines von 6 symmetrischen Orientierungen.
      Hinweis: Das Verfahren in 5.1.6 wird davon ausgegangen, dass das Teilchen nicht mehr als die Hälfte eines seiner Innenwinkel zwischen den Rahmen dreht. Begründung für diese Annahme ist in der Diskussion gegeben.
2. Speichern Sie die Position und Euler-Winkel als Funktion der Zeit.
3. Verwenden Sie diese Daten Festkörperdrehrate und andere Mengen zu extrahieren.

Ergebnisse

3a zeigt ein Bild eines tetrad von einem unserer Kameras über ein Grundstück von der Euler aus einem Abschnitt seiner Bahn erhalten Winkel (Abbildung 3c). In 3b Algorithmus die Ergebnisse der Ausrichtung Findungs, beschrieben in Protokoll 5-5,3, auf dem Bild überlagert Tetrade. Die Arme der tetrad in 3a folgen nicht den einfachen Intensitätsverteilungen, die das Modell (Protokoll 5.1.3.1) verwendet werden , zu erstellen....

Diskussion

Die Messungen der Verwirbelung und die Rotation der Partikel in turbulenten Fluidstrom sind seit langem als wichtige Ziele in der experimentellen Strömungsmechanik erkannt worden. Der Festkörperdrehung von kleinen Kugeln in Turbulenzen ist gleich der Hälfte der Flüssigkeit Verwirbelung, aber die Rotationssymmetrie von Kugeln hat eine direkte Messung ihrer Festkörperrotation erschwert. Traditionell wurde die Flüssigkeit vorticity gemessen unter Verwendung komplexer, Multisensor, Hitzdraht-Sonden ^14. Aber diese...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Condor Nd:YAG 50 W Laser	Quantronics	532-30-M
Hochgeschwindigkeitskamera	Basler	A504k
Hochgeschwindigkeitskamera	Mikrotron	EoSens Mc1362
Rhodamine-B	ScienceLab.com	SLR1465
Natriumhydroxid	Macron	7708	Pellets.
500 Connex 3D-Drucker	Objet		Wird zur Herstellung kleinerer Partikel verwendet. Partikel, die bei RP+M (Rapid Prototyping plus Manufacturing) bestellt werden.
VeroClear	Stratasys	RGD810	Objet Baumaterial.
Clear Form 1 Photopolymer Resin	Formlabs
Zylindrische und sphärische Linsen
200 mm Makrokameraobjektive			F-Mount.
Ultraschallbad	Ultraschallgerät
Calciumchlorid	Spectrum Chemical Mfg. Corp.	CAS 10043-52-2	Pellets.
LabVIEW System Design Software	National Instruments		Wird zum Triggern von Kameras, zum Steuergitter und zum Triggern von Lasern verwendet.
XCAP Software	EPIX		Wird mit LabVIEW verwendet, um Kameras auszulösen.
MATLAB	Mathworks		Wird für alle Bild- und Datenanalysen verwendet. Programme zum Extrahieren von 3D-Orientierungen aus mehreren Bildern sind in dieser Veröffentlichung enthalten.
OpenPTV: Open Source Particle Tracking Velocimetry	OpenPTV Consortium
ParaView	Kitware
AutoCAD	AutoDesk		Wird zum Entwerfen aller Partikel verwendet. Screenshots von Partikeldesigns stammen vollständig aus AutoCAD.
Masche mit 0,040 x 0,053 Zoll Löchern	Industrielles Netz	XN5170– 43.5
Kamerafilter	Schneider Optics	B+W 040M