Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

Zusammenfassung

Die hier beschriebene Technik bietet eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um simultane Messung von Teilchen Kinematik und Turbulenz in Strömungen mit niedrigen Partikelkonzentrationen. Die Turbulenzen wird mittels Particle Image Velocimetry (PIV) gemessen, und Partikel Kinematik errechnen sich aus Bildern, die mit einer Hochgeschwindigkeitskamera in überlappenden Sichtfeld.

Zusammenfassung

Zahlreiche Probleme im Natur- und ingenieurwissenschaftliche Felder beinhalten Verständnis der Kinematik von Partikeln in turbulente Strömungen, wie Schadstoffe, marine Mikroorganismen und/oder Sedimente in den Ozean, oder die Wirbelschicht Reaktoren und Verbrennungsprozessen in Anlagenbau. Um die Auswirkungen der Turbulenzen auf die Kinematik der Partikel in solche Strömungen zu studieren, werden gleichzeitige Messungen von den Fluss und die Partikel Kinematik benötigt. Non-intrusive, optischen Fluss Messverfahren zur Messung von Turbulenzen oder für die Verfolgung von Teilchen, existieren aber beides gleichzeitig messen kann aufgrund von Interferenzen zwischen den Techniken schwierig sein. Die hier vorgestellte Methode bietet eine relativ einfache und kostengünstige Methode, um gleichzeitige Messung der Strömung und Partikel Kinematik machen. Ein Querschnitt durch die Strömung wird mit eine Particle Image Velocimetry (PIV) Technik, die bietet zwei Komponenten der Geschwindigkeit in der Messebene gemessen. Diese Technik nutzt einen gepulste Laser für die Beleuchtung des kernigen Strömungsfeldes, die mit einer digitalen Kamera abgebildet ist. Die Partikel-Kinematik sind gleichzeitig abgebildet mit eine Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, das einen planaren Querschnitt des Flusses, die mit der PIV Field beleuchtet-of-View (FOV) überschneidet. Die Linie Licht ist niedrig genug macht, dass es hat keinen Einfluss auf die PIV-Messungen, aber stark genug, um die größeren Partikel von Interesse zu beleuchten abgebildet mit der High-Speed-Kamera. High-Speed-Bilder, die die Laserpulse aus die PIV-Technik enthalten sind leicht gefiltert durch die Untersuchung der summierte Intensität jedes High-Speed-Bildes. Dadurch, dass die Frame-Rate der High-Speed-Kamera mit derjenigen der PIV-Kamera-Frame-Rate, kann die Anzahl der kontaminierten Frames in der High-Speed-Zeitreihe minimiert werden. Die Technik eignet sich für mittlere fließt, die überwiegend zweidimensional sind, enthalten Partikel, die sind mindestens 5 Mal der mittlere Durchmesser der PIV Aussaat Tracer und niedrige Konzentration.

Einleitung

Es gibt eine große Anzahl von Anwendungen in wissenschaftlichen und technischen Bereichen, bei denen das Verhalten der Partikel in turbulente Strömungen, zum Beispiel, Aerosole in der Atmosphäre, Verunreinigungen und/oder Sedimente im Anlagenbau und marine Mikroorganismen oder Sediment in den Ozean^1,2,3. In solchen Anwendungen ist es oft interessant zu verstehen, wie die Partikel zu Turbulenzen, reagieren die gleichzeitige Messung von Teilchen-Kinematik und die Fluiddynamik erfordert.

Vorhandene Technologien zur Messung von Teilchen Bewegungen, genannt Particle tracking (PT), die einzelnen Partikel Bahnen und die statistische Methode der Particle Image Velocimetry^4,5 (PIV) Titel, verwendet zur Messung des Durchflusses Geschwindigkeiten, übernehmen beide berührungslose optische Verfahren. Die größte Herausforderung bei der Verwendung dieser berührungslose optische Techniken, um den Fluss und die Partikel Kinematik gleichzeitig zu messen ist die separate Beleuchtung für jede bildgebendes Verfahren, das eingegriffen werden kann und mit der anderen Messung (Genauigkeit erforderlich z. B. kann nicht der Beleuchtungsquelle für die Messung der Partikel-Kinematik als eine wesentliche Lärmquelle in der Fluidgeschwindigkeit Mess- und umgekehrt handeln). Den Kontrast des Bildes in beiden Sätzen von Bildern muss ausreichen, um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten. Beispielsweise werden die PT-Bilder in schwarz / weiß-Bilder konvertiert, um ein Blob-Analyse zur Ermittlung der Partikelpositionen durchzuführen; so führt nicht genügend Kontrast zu Fehlern bei der Partikel Position. Schlechten Kontrast in PIV Bilder beläuft sich auf einem niedrigen Signal-Rausch-Verhältnis, die Ungenauigkeiten bei Schätzung der Flüssigkeiten Geschwindigkeiten verursachen wird.

Hier ist eine relativ kostengünstige und einfache Methode, um gleichzeitig beide Teilchen Kinematik und Fluss Geschwindigkeiten messen beschrieben. Durch den Einsatz eines Hochleistungs-monochromatisches Licht emittierende Diode (LED) Linie Licht, wo die Linie bezieht sich auf die Lichtblende und Doppelkopf-hochintensive Laser, sind sowohl die Partikel von Interesse und das Strömungsfeld gleichzeitig in derselben Region abgebildet. Die hohe Leistung der LED ist ausreichend für die Bildgebung der (Tracking) Partikel von der High-Speed-Kamera aber hat keinen Einfluss die PIV-Bilder, da die Lichtintensität verstreut von PIV Tracer zu niedrig ist. Wenn der Doppelkopf-hochintensive Laser beleuchtet das Strömungsfeld für die PIV-Bilder, es erfolgt über ein kurzes Zeitintervall und diese Bilder sind leicht identifiziert und entfernt aus der Zeitreihe durch PT-Hochgeschwindigkeitskamera erhalten, wenn sie registriert sind. PIV laser Impulse aufgenommen in die High-Speed-Bild (verwendet für Partikel tracking) Zeit, die Serie minimiert werden kann, indem man nicht die beiden Systeme bei Erwerb Frameraten, die einander entsprechen. In weiter fortgeschrittenen-Setups könnte eine extern PT und PIV-Kameras mit einer Verzögerung auslösen, die dafür sorgen würde, dass dies nicht der Fall. Schließlich werden durch sorgfältige Prüfung der Höhe der Partikel, die im Rahmen der PIV-Sichtfeld (FOV) verfolgt, eingeführt durch diese verfolgten Teilchen in der Korrelationsanalyse PIV Bilder Fehler bereits durch die gesamte Fehlerschätzung berücksichtigt, auch Fehler im Zusammenhang mit ungleichmäßigen Größenverteilung der PIV-Tracer im Verhör-Fenster. Die überwiegende Mehrheit der PIV Aussaat Tracer folgen die Strömung, genaue Flow Velocity Schätzungen nachgeben. Diese Techniken ermöglichen die gleichzeitige direkte Messung der beiden Teilchen Kinematik und Flow Bereich in einer zweidimensionalen Ebene.

Diese Technik zeigt sich durch die Anwendung, um festzustellen, Partikel absetzen Merkmale in eine turbulente Strömung, ähnlich wie in den Studien von Yang und schüchtern⁶ und Jacobs Et al. ⁷. Partikel absetzen ist die letzte Stufe in der Sedimenttransport, besteht im Allgemeinen aus Sediment Federung, Transport und absetzen. In den meisten früheren Studien, die Partikel absetzen in turbulente Strömungen gerichtet haben, entweder Partikel Trajektorien oder turbulente Geschwindigkeiten nicht direkt gemessen, sondern theoretisch abgeleitet oder modelliert^8,9,10. Informationen über die Wechselwirkungen zwischen Teilchen und Turbulenzen in den meisten Fällen wurden untersucht anhand von theoretischen und numerischen Modellen aufgrund der experimentellen Einschränkungen bei der Messung beide gleichzeitig^6,11. Wir präsentieren eine Partikel-Turbulenzen Interaktion Fallstudie in einer oszillierenden Raster-Anlage, wo wir die Sinkgeschwindigkeit der Partikel und deren Kopplung mit Turbulenzen zu studieren. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird im folgenden die Partikel unter Untersuchung als "Partikel" und die Aussaat Partikel verwendet für die PIV-Technik als "Tracer"; bezeichnet Darüber hinaus verweisen wir auf die Kamera verwendet für Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Partikel Bahnen als "Particle Tracking", "PT" oder "High-Speed"-Kamera, die "High-Speed-Bilder" und die Kamera verwendet für die PIV-Methode "PIV-Kamera" Maßnahmen, die Maßnahmen "Bilder". Die hier beschriebene Methode ermöglicht die gleichzeitige Messung von Partikeln Kinematik und Dynamik von Flüssigkeiten über ein vordefiniertes Feld von Interesse innerhalb der Anlage. Die gewonnenen Daten liefert eine zweidimensionale Beschreibung der Partikel-Turbulenzen Interaktion.

Protokoll

Hinweis: Alle Mitarbeiter sollten in den sicheren Einsatz und Betrieb der Klasse IV-Laser sowie den sicheren Umgang und Betrieb von Hand und Elektrowerkzeugen geschult werden.

1. Versuchsanordnung

1. PIV-setup
   1. Richten Sie die Doppelkopf-Laser und Optik.
      1. Legen Sie den Laser auf eine optische Platte. Ebene des Lasers in Bezug auf der Unterseite der Anlage (oder in Bezug auf dem Boden, wenn es gewünscht ist, vertikale Geschwindigkeiten mit Gravitationsbeschleunigung ausgerichtet haben) und vertikal ausrichten des Laserstrahls mit dem Zentrum der 2D-Ebene, abgebildet werden.
      2. Zylinderlinse in den Pfad des Laserstrahls zu platzieren, um die optische Platte zu sichern. Das Objektiv wird den Strahl in eine 2D-Ebene bilden. Die Größe der 2D-Ebene abgebildet hängt von der Brennweite der Linse und die Entfernung aus der Region untersucht werden. Stellen Sie die Linse und die Entfernung die Region beleuchtet groß genug für die jeweilige Anwendung.
      3. Legen Sie eine sphärische Linse auf die optische Platte zwischen Zylinderlinse und der 2D Bildebene. Der Abstand zwischen den sphärischen und zylindrischen Linsen und die Brennweite des sphärischen Linse bestimmt die Blechdicke 2D-Ebene beleuchtete (Licht). Justiert die leichte Blatt ca. 0,5-1 mm dick ist dieser Abstand und die Brennweite des Objektivs.
   2. Positionieren Sie und führen Sie vorläufige Kamerakalibrierung PIV.
      1. Bringen Sie eine Objektiv an die PIV-Kamera, Turn-on der PIV-Kamera im freien/Dauerbetrieb, und fokussieren Sie grob die PIV-Kamera. Stellen Sie die Blende der PIV-Kamera, um genügend Licht durch den Bildsensor empfangen werden können; Diese Einstellung der Blende kann abweichen, wenn weißes Licht den Raum im Vergleich zu Laser-basierte Beleuchtung zu verwenden.
         1. Passen Sie die Linse und die Entfernung, bis die Größe des Bildes ausreicht, um die Region von Interesse zu beobachten ist. Auswahl des Objektivs und der Abstand zwischen der PIV-Kamera und dem hellen Blatt bestimmt die physische Größe der PIV das Bild der Kamera. Idealerweise sollte die Größe des Bildes sein kleiner (oder ähnlich) die Größe der hellen Blatt Einrichtung im 1.1.1.
      2. Sicherzustellen, dass die PIV-Kamera senkrecht auf das Blatt, leicht und grob die Höheneinstellung derart, dass die Region von Interesse (definiert durch die leichte Blatt Grenzen – siehe Punkt 1.1.1) ist innerhalb der PIV-Kamera Field of View (FOV).
      3. Ebene der PIV-Kamera in Bezug auf der Unterseite der Flow Anlage (oder in Bezug auf dem Boden, wenn es gewünscht ist, vertikale Geschwindigkeiten mit Gravitationsbeschleunigung ausgerichtet haben). Es ist von größter Bedeutung, dass die PIV Kamera genau senkrecht auf das Blatt, Licht, so dass dies gründlich überprüft werden sollte.
      4. Schalten Sie die Kamera PIV und schalten Sie den Laser. Legen Sie eine Kalibrierungstarget und richten Sie es mit der Mitte des hellen Blattes, dann schalten Sie den Laser.
         Hinweis: Das Kalibrierungstarget ist eine zweidimensionale Platte (im Allgemeinen aus Metall für Steifigkeit Zwecke gemacht), mit mehreren Markern (z. B. Punkte oder Kreuze) in regelmäßigen Abständen Startaufstellung ausgerichtet. Die Platte ist in der Regel mit weißen Markierungen schwarz bemalt. Die bekannte Entfernung zwischen den Markern ermöglicht Abschätzung der Umrechnungsfaktor zwischen physikalischen Einheiten und Pixel.
      5. Die PIV-Kamera wieder einzuschalten und den Fokus der Kamera auf das Kalibrierungstarget PIV zu verfeinern. Die Pixel-Auflösung der Kamera PIV wird bestimmen, wie gut die Region im Raum gelöst werden kann; (Somit sollte es siehe Schritte 2.1.1 und 2.1.4 für Details auf diesen Überlegungen) betrachtet werden.
      6. Ein Bild zu erfassen. Bestätigen Sie die PIV-Kamera Ebene indem sichergestellt wird, dass die Höhe in einer Zeile das Kalibrierungstarget konsistent ist, sowie, dass die horizontale Position entlang einer Spalte das Kalibrierungstarget konsistent ist. Überprüfen Sie die Größe der Kalibrierung Marker in jeder Ecke des Bildes (in Pixel) für die Beurteilung den Betrag der Verzerrung des Bildes, die minimiert werden sollte. Der Unterschied in der Größe der Kalibrierung Marker an jeder der vier Ecken sollte im Idealfall Null sein; aber nicht mehr als 1 Pixel abweichen sollte.
   3. Der Fluss PIV Tracer hinzufügen.
      1. Wählen Sie geeignete Tracer, die neutral Auftrieb (ähnliche Dichte wie die Flüssigkeit), chemisch inert, angemessene Größe und Form (sphärische und klein genug, um den Fluss zu folgen) und haben einen hohen Brechungsindex relativ flüssig^12,13 .
         Hinweis: In der vorgestellten Case Study, wo die Flüssigkeit Wasser ist, haben wir hohlen Glaskugeln mit einem mittleren Durchmesser von 10 μm und Dichte von 1,1 g/ccm verwendet.
      2. Einführung der PIV-Tracer in den Fluss und die Anlage laufen (oszillieren Raster) bis sie gut vermischt sind. Schrittweise Einführung der Tracer und bewerten die Bildqualität und Tracer Dichte innerhalb es.
         Hinweis: Eine große Trennung zwischen Tracer graue Ebene Intensität und die Hintergrundintensität ist optimal.
         1. Durch Einschalten des Lasers und Sammelbilder im freien/Dauerbetrieb zu bewerten. Die Tracer-Konzentration im Bild sollte dicht aber nicht gefleckt^4,14sein. Betrachten Sie die Größe des Fensters gewünschte Korrelation bei der Auswahl der Konzentration, wie es suggeriert wird, um sich zu haben ca. 8-10 klar Partikel-Paare in der PIV Bild-Paare für die Kreuzkorrelation Analyse⁴ (siehe Schritt 2.1.1).
   4. Richten Sie die PIV-Parameter. Die PIV-Parameter bestehen aus der PIV Kamera Frame-Rate (das ist dasselbe wie die Wiederholrate Laser Dual-Puls), das Timing zwischen Bildpaare (d. h. zwischen aufeinander folgenden (dual) Laserpulse timing) und die Anzahl der Bildpaare zu sammeln. Verfeinerung dieser Einstellungen kann nach Überprüfung der Ergebnisse aus Schritt 1.1.5 erforderlich sein.
      1. Legen Sie die Anzeigedauer der PIV-Kamera und Laser (Frame-Rate). Diese bestimmen die zeitliche Auflösung der Stichprobe Geschwindigkeit Vektorkarten und als sein hoch wie möglich (Begrenzung der PIV-Kamera, Laser oder Festplattenspeicher) bis zu Hälfte der kleinsten Zeitskala der Strömung.
      2. Legen Sie das Timing zwischen aufeinander folgenden PIV-Bilder (d. h. ein Bildpaar PIV).
         1. Legen Sie das Timing zwischen aufeinander folgenden PIV Bilder basierend auf der durchschnittlichen Fließgeschwindigkeit in der Anlage und die Größe der Fenster Verhör (siehe 2.1.1). Haben die Tracer ca. 1/4-1/2 verdrängen der Vernehmung Fenstergröße in der Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Bildern verstrichen. Die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Bildern stellt auch das Timing zwischen den zwei Laserpulse.
         2. Vordefinieren der ersten Impuls um eine kurze Zeit ausgelöst, nachdem die PIV Kameraverschluß geöffnet hat. Wenn eine Kreuzkorrelation PIV-Kamera zu verwenden, die PIV-Kamera speichert das Bild in seinem Pufferspeicher und wieder öffnet sich den Verschluss wieder.
         3. Feuer der zweiten Laserpuls anhand der Einrichtung hier. Einmal der zweite Impuls Brände, der Verschluss der Kamera, schließt wieder beide Bilder an die Frame-Grabber (oder on-Board-Speicher der PIV-Kamera) senden.
         4. Bestimmen Sie die Zeit zwischen dem ersten Puls auslöst, die den Erwerb des ersten Bildes das Bildpaar und die ersten, die den Erwerb des ersten Bildes von der nachfolgenden Bildpaares durch den PIV-Kamera-Frame löst Pulsrate (siehe 1.1.4.1).
      3. Legen Sie die Anzahl der Bildpaare zu sammeln. Die Anzahl der Bildpaare sammeln sollte gewählt werden, um eine Konvergenz auf der statistischen Fließeigenschaften, die richtet sich nach der Versuchsaufbau, sondern ist in der Regel im Bereich von Hunderten bis Tausenden von Bildpaare.
   5. PIV Versuchsaufbau.
      1. Den Laser auf externe Trigger-Modus für beide Laserköpfe und erhöhen Sie die Laserleistung. Verdunkeln Sie komplett den Raum.
      2. Datenerhebung im synchronisierten kontinuierlichen Modus für ein paar Sekunden zu initiieren.
      3. Datenerhebung zu stoppen.
      4. Kreuz korrelieren Bild Paare gesammelt (siehe 2.1.1).
         1. Wenn der Prozentsatz der gute Vektoren vorbei das Signal-Rausch-Verhältnis (Verhältnis von der höchste Gipfel der Kreuzkorrelation, die zweite höchste Korrelation Gipfel zu überqueren – siehe 2.1.1) ist nicht im oberen Bereich von 90 % oder durchschnittliche Tracer Verschiebungen im Verhör Windows sind nicht etwa 0,25-0,5 der Fenstergröße Verhör wiederholen und korrekte Durchführung der Schritte im Abschnitt 1.1 zu überprüfen, bis es erreicht ist. Sobald diese Werte erreicht sind, stoppen Sie die Anlage (Stop Raster Oszillation).
2. 2D Highspeed-Particle Tracking einrichten
   1. Positionieren Sie die monochromatische Licht der LED-Zeile.
      1. Wählen Sie die LED-Zeile so, dass es das Teilchen untersucht (z. B. Trubstoffe) mit großer beleuchtet Intensität (große Unterschiede in der Brechungsindex des Partikels in Bezug auf die Flüssigkeit) zurückgestreut. Es sollte auch sein zu beleuchten, kontinuierlich oder mit einer Rate, die mit der PT-Kamera synchronisiert werden kann.
      2. Minimieren Sie die Dicke der Linie Licht im Idealfall die PIV leichte Blechdicke übereinstimmen, aber nicht mehr als 10 mal so dick wie der PIV leichte Blechdicke sein, um jede Zweideutigkeit durch Out-of-Plane Partikelbewegung zu reduzieren.
      3. Die Breite des Lichtes LED Zeile übereinstimmen oder umfassen die PIV FOV Größe. Montieren Sie die LED senkrecht zu dem hellen Blatt vom Laser erzeugt, so dass keine Probleme von leichten Verstopfungen (z. B. PIV leichte Blatt von der Seite) und die LED von unten auftreten. Siehe Abbildung 1.
      4. Richten Sie die LED-Zeile, so dass die PIV leichte Blechdicke innerhalb der LED Licht Linienstärke zentriert ist. Nur passen Sie die Positionierung der LED-Anzeige, diese Ausrichtung zu erreichen. Warenverkehr die PIV leichte Blatt benötigen, wiederholen Sie die Schritte in Abschnitt 1.1.
   2. Positionieren Sie und führen Sie vorläufige Kamerakalibrierung High-Speed-PT.
      1. Bringen Sie eine Objektiv an der PT-Kamera, die PT-Kamera im freien/kontinuierliche/Live-Modus schalten Sie ein und fokussieren Sie grob die PT-Kamera. Passen Sie ggf. die PT Kamera Blende damit genügend Licht auf den Bildsensor der Kamera PT zugehen kann; Diese Einstellung der Blende kann abweichen, wenn weißes Licht den Raum im Vergleich zu den LED-basierte Beleuchtung zu verwenden. Auswahl des Objektivs und der Abstand zwischen der Kamera und die hellen LED-Zeile bestimmt die physische Größe der PT das Bild der Kamera. Im Idealfall werden die PT-Kamera FOV kleiner (oder ähnlich) die Größe des Gebiets durch die LED beleuchtet.
      2. Sicherzustellen Sie, dass die High-Speed-Kamera senkrecht zur Linie Licht und grob einstellen Sie die Höhe so, dass die Region von Interesse innerhalb der PT Kamera FOV und inklusive der PIV FOV ist.
      3. Ebene der PT-Kamera in Bezug auf der Unterseite der Flow Anlage (oder in Bezug auf dem Boden, wenn es gewünscht ist, vertikale Geschwindigkeiten mit Gravitationsbeschleunigung ausgerichtet haben). Es ist von größter Bedeutung, den die PT-Kamera genau senkrecht zur Ebene durch die Linie leicht, beleuchtet sein, damit dies gründlich überprüft werden sollte.
      4. Schalten Sie die Kamera PT, die Linie Licht schalten Sie ein, und legen Sie eine Kalibrierungstarget ausgerichtet mit der Mitte der Linie Licht, dann schalten Sie die leichte Linie.
      5. Die PT-Kamera wieder einzuschalten und seinen Fokus auf das Kalibrierungstarget zu verfeinern. Verfeinern Sie die Linse und die Entfernung, bis die Größe des Bildes ausreichend ist, um die Region von Interesse zu beobachten und werden inklusive der PIV FOV.
      6. Wählen Sie Objektiv und Abstand, so dass PT Hochgeschwindigkeitskamera FOV größer als die PIV FOV ist. Diese Anordnung ist notwendig, um sicherzustellen, dass die PIV-Kamera und die Hochgeschwindigkeitskamera PT nicht körperlich gegenseitig blockieren.
      7. Die PT und PIV Kameras vertikal anordnen (gestapelt) oder Offset auf die Seite der jeweils anderen. Es kann eine Ecke des High-Speed-PT FOV und PIV FOV ausgerichtet sein. Die Pixel-Auflösung der Kamera PT wird bestimmen, wie gut die Region im Raum gelöst werden kann; Daher sollte davon ausgegangen werden. Der Umrechnungsfaktor zwischen physikalischen Einheiten und Pixel bestimmt die räumliche Distanz von 1 Pixel abgedeckt. Die Partikel sollten ca. 3 bis 10 Pixel zwischen aufeinander folgenden Bildern, verdrängen und wenn diese Verschiebung zu groß (oder klein) ist, weil die FOV ist zu klein (oder zu groß) oder die Anzahl der Pixel ist zu groß (oder klein) dann Partikel können nicht verdrängen ein idealer Anzahl der Pixel zwischen den Bildern (siehe auch 1.2.3.2).
      8. Wählen Sie Partikel zur Untersuchung.
         1. Verwenden Sie Partikel von Interesse viel größer als die Aussaat Tracer PIV um die untersuchten Partikel und der PIV-Tracer ausreichend unterscheiden. Wir haben erfolgreich mit Partikel etwa 5 Mal größer als die PIV-Tracer und halten dies für die untere Grenze aber das Limit ist Verlass auf die Partikel Brechungsindizes und Lichtquellen. Die untersuchte Teilchen sollten umfassen rund um 4-5 Pixel im Bereich der High-Speed-Kamerabild. Daher kann die Größe der untersuchten Partikel weniger Pixelauflösung für das High-Speed-Bild als die PIV-Bilder ermöglichen.
         2. Wiederholen Sie Schritte 1.2.2.1-1.2.2.5, wie notwendig, um diesen Schritt zu erreichen.
      9. Erwerben Sie ein Bild das Kalibrierungstarget. Bestätigen Sie die PT-Kamera Ebene indem sichergestellt wird, die die Höhe über eine Reihe von das Kalibrierungstarget entspricht und die die horizontale Position entlang einer Spalte das Kalibrierungstarget entspricht. Auch überprüfen Sie die Größe der Kalibrierung Marker in jeder Ecke des Bildes für die Beurteilung den Betrag der Verzerrung des Bildes, die minimiert werden sollte (unterscheiden sich nicht um mehr als 1 Pixel).
   3. Die High-Speed-Kameraparameter einstellen. Die High-Speed-Kameraparameter bestehen aus die Frame-Rate der PT Kameraeinstellungen (in diesem Fall auch die Belichtungszeit), die PT-Kamera-Auflösung (full-Frame oder die Pixel um die Frame-Rate zu erhöhen oder verlängern die Erfassungszeit binning) und die Anzahl der Bilder gesammelt.
      1. Legen Sie die Anzahl von Bildern zu sein (d. h. die Länge der Erfassungszeit) gesammelt. Die Anzahl der Bilder gesammelt beeinflusst die Anzahl der Teilchen Trajektorien gemessen – je länger die Akquisition, die mehr Bahnen, die gemessen werden können.
      2. Legen Sie die Frame-Rate (und Belichtungszeit) und Auflösung der High-Speed-PT-Kamera.
         1. Zu vermeiden, setzen die High-Speed-Bild Erfassungsrate auf dasselbe oder Vielfaches von PIV-Frame-Rate. Legen Sie die Frame-Rate, basierend auf die geschätzte Geschwindigkeit der Partikel in den Fluss. Die Partikel sollten mehr als 1 oder 2 Pixel verschieben, um Instanzen von überlappenden Partikelpositionen in zwei aufeinander folgenden Bildern zu vermeiden; jedoch eine große Lücke (> 10 Pixel) führt zu weniger Vertrauen in die gleichen Teilchen in aufeinanderfolgenden Bildern, Verlust von Teilchen Flugbahn nachgeben zu identifizieren (siehe 2.2.4). Passen Sie die PT Kamera Auflösung und Frame-Rate um Partikel Verschiebungen in diesem Bereich (3-10 Pixel) zu erreichen.
   4. Testen Sie die High-Speed-Kamera-Setup.
      1. Einschalten der LED-Zeile leicht und sonst verdunkeln den Raum.
      2. Führen Sie die Anlage (Start oszillierende Raster).
      3. Führen Sie die Partikel in den Fluss ein und erfassen Sie ein paar Frames zu, nachdem die Partikel in die High-Speed-Kamera FOV angezeigt werden. Überlagern Sie aufeinander folgende Frames und beurteilen Sie, ob Partikel in aufeinanderfolgenden Rahmen unterschieden werden können.
         1. Überprüfen Sie, dass die Einführung von Partikeln in der Hochgeschwindigkeitskamera FOV ausreichend weit von der FOV auftritt, Eingangseffekte unerheblich, dass die Dichte der Partikel spärlich genug ist, dass es nicht häufiger Fälle der Überlappung der Partikel innerhalb der High-Speed-Bild FOV und Partikelbewegung ist in erster Linie in der Ebene, so dass die Partikel nachvollziehbar sind mit dem Auge der Kamera FOV/PT Kamera Bild Geschichte abgebildet.
         2. Wenn diese Ergebnisse nicht erzielt werden, dann wiederholen Sie 1.2, bis es erreicht ist. Einmal erreicht, halten Sie die Anlage (Stop Raster Oszillation).
3. Kombinierte letzte Kalibrierung
   1. Positionieren Sie das Kalibrierungstarget in PIV und PT Kamera FOVs und innerhalb der LED und PIV helle Blätter. Das Kalibrierungstarget sollte die Hochgeschwindigkeitskamera PT und PIV Kamera sichtbar. Stellen Sie sicher, dass beide Kameras im Fokus. Wenn man nicht korrekt ausgerichtet ist, dann müssen Schritte 1.1 und 1.2 für die PIV-Kamera und Highspeed-Kamera, bzw. wiederholt werden.
   2. Stellen Sie sicher, dass mindestens eine einzigartige Marke auf das Kalibrierungstarget vorhanden ist, die durch die High-Speed-Kamera FOV und PIV-Kamera FOV sichtbar ist. Messen und die Position dieser einzigartigen Marke im physischen Raum für Zwecke der räumlichen Registrierung zwischen den Bildern zu bezeichnen.
   3. Kalibrieren Sie die High-Speed-Kamera erfassen und speichern Sie ein Bild das Kalibrierungstarget durch die Hochgeschwindigkeitskamera PT. Kalibrieren der PIV-Kamera die gleiche Weise.
   4. Das Kalibrierungstarget aus der Flüssigkeit zu entfernen.
4. Erhebung von Daten
   1. Führen Sie die Anlage (oszillieren Raster) bis zum Steady-State (~ 20 min) erreichen.
   2. Festgelegten Sie Lichtverhältnissen Raum abdunkeln und das LED Licht einschalten. Partikel in der Flüssigkeit hinzufügen.
   3. Synchron starten Sie Bilderfassung für beide Systeme, wenn die erste Partikel in PT Hochgeschwindigkeitskamera FOV (im live-Modus) angezeigt werden.
   4. Herunterladen Sie die High-Speed-Bilder aus dem RAM für die High-Speed-PT-Kamera und speichern Sie die Bilder von der PIV-Kamera erworben.
   5. Die Anlage zu stoppen (stop die Raster-Schwingungen).

(2) Bildanalyse

Hinweis: Es gibt zahlreiche Software-Pakete zur Verfügung zur Durchführung der PIV und PT Bildanalyse – sowohl kommerzielle als auch Freeware. Für PIV-Analyse sind Freeware-Codes OpenPIV (http://www.openpiv.net/) und MatPIV (http://folk.uio.no/jks/matpiv/index2.html). Unternehmen der gewerblichen Wirtschaft verkaufen auch PIV-Analyse-Software. Für PT-Analyse existieren zahlreiche Teilchen-Tracking-Codes in 3D und 2D wie Partikel Tracker (https://omictools.com/particle-tracker-tool); eine vollständige Auflistung der verschiedenen Software-Plattformen finden Sie hier: https://omictools.com/particle-tracking-category oder http://tacaswell.github.io/tracking/html/. Werkzeuge, die es relativ einfach zu implementieren Ihre eigene tracking-Code machen, haben die meisten Analysepakete, z. B. MATLAB, erbaut. Für die Ergebnisse, die in dieser StudieOpenPIVwurden TSI Einsichtund MATLAB individuell geschriebenen tracking-Codes verwendet.

1. Analysieren Sie PIV-Bilder
   1. Teilen Sie jedes Bild in einem Raster von Verhör Windows (z. B. 64 x 64 Pixel² mit 50 % Überlappung) über die durchschnittliche Strömungsgeschwindigkeit an jedes Fenster als Kreuz-Korrelation von zwei aufeinander folgenden PIV Bilder (z.B. PIV Bildpaares) berechnet wird diskutiert im Abschnitt 1.1.4.2 PIV-Setup.
      Hinweis: Der Abstand zwischen der Spitze Korrelation in jedem Fenster und der Mitte des Fensters definiert die durchschnittliche Tracer Verschiebung in das Fenster. Nach der Kalibrierung liefert diese Verschiebung, geteilt durch die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden PIV-Bildern (PIV Bildpaares - siehe Schritt 1.1.4.2) Schätzungen der beiden Komponenten in der Ebene der Geschwindigkeit an jedem Standort⁴. Ist es als eine Vektorkarte Geschwindigkeit bezeichnet. Die Größe des Fensters Verhör bestimmt die Auflösung des Strömungsfeldes durch die PIV-Analyse erzeugt wie die Hälfte der Strecke ist die berechnete Geschwindigkeit Vektor-Abstand. Zusammen mit dem Pixel, physikalische Einheit Umrechnungsfaktor der Abstand bestimmt die Auflösung des gemessenen Strömungsfeldes. Zusätzlich, um niedrige Zahl von fehlerhaften Vektoren zu erhalten (siehe 2.1.2), muss eine ausreichende Anzahl von Tracern in jedem Fenster (mindestens 8-10 Tracer) vorhanden sein und sie müssen nicht mehr als ca. ¼ bis ½ der Fenstergröße verdrängen.
   2. Filtern Sie die Ergebnisse der Kreuzkorrelation, falsche Ergebnisse aus den Geschwindigkeit Vektorkarten zu entfernen.
      1. Einen Signal-Rausch-(SNR) Filter anwenden. Erfordern eine Verhältnis von 1.5 und höher ist in der Regel verwendet (diese Zahl kann sich ändern je nach den spezifischen experimentellen Bedingungen).
         1. Festlegen der SNR entweder das Verhältnis zwischen der ersten und der zweiten höchsten Korrelation im Verhör Fenster oder das Verhältnis zwischen der ersten und durchschnittliche Korrelation über das spezifische Abfrage-Fenster. Optimieren Sie die SNR-Verhältnis für jede Reihe von Experimenten. Die Anzahl der Vektoren, die andernfalls diese SNR-Prüfung sollte 10 % nicht überschreiten.
      2. Filtern Sie verbleibende fehlerhafte Vektoren (nicht mehr als 5 % zwischen den Schritten 2.1.2.2 und 2.1.2.3) über einen globalen Filter, vergleicht jedes einzelnen Geschwindigkeitsvektor mit der Geschwindigkeit Karte Mittelwert plus oder minus drei Standardabweichungen der Karte Geschwindigkeiten und beseitigt, Geschwindigkeiten außerhalb dieses Bereichs.
      3. Filtern Sie verbleibende fehlerhafte Vektoren (nicht mehr als 5 % zwischen den Schritten 2.1.2.2 und 2.1.2.3) Vektoren mit einem lokalen Filter, der jedem einzelnen Geschwindigkeitsvektor mit die mittlere Geschwindigkeit eines Viertels der umliegenden Geschwindigkeit vergleicht, in der Regel 5 x 5 Zoll Größe.
         Hinweis: Verwendung von Median und Bestimmung der Nachbarschaft Größe kann je nach den spezifischen experimentellen Bedingungen ändern.
   3. Ersetzen Sie fehlerhafte Vektoren in Schritt 2.1.2 mit interpolierten Vektoren (oder der Nachbarschaft Median) anhand von Informationen aus der umliegenden Nachbarschaft Vektoren, gefunden in der Regel der Größe 5 x 5.
   4. Bestimmen Sie das Abstand in Pixel Umtauschverhältnis. Untersuchen Sie, wie viele Pixel auf einen bestimmten Abstand mit Hilfe den Abstand zwischen den Markierungen auf das Kalibrierungstarget abgebildet im Schritt 1.3.3 übersetzen.
   5. Vektoren zu kalibrieren. Konvertieren Sie die Vektoren in Schritte 2.1.1-2.1.3, physikalische Einheiten, die mit dieser Umrechnungsfaktor von Schritt 2.1.4 und die Zeit zwischen Bildpaare inmitten Schritt 1.1.4.2 berechnet; Geschwindigkeiten in physikalischen Einheiten umwandeln die Verschiebungen in Pixel.
2. Analysieren Sie High-Speed-Bilder
   1. Entfernen Sie keine Frames aus der High-Speed-Bild-Zeitreihe in denen PIV-Laser den Fluss beleuchtet wurde.
      1. Summe der Intensitätswerte jedes Rahmens erworben. Die Rahmen, in denen der PIV-Laser blinken war, haben eine summierte Intensität, die viel größer als die ohne die PIV-Laser im Bild aktiv ist. Basierend auf einem Schwellenwert auf die summierte Intensität, entfernen Sie alle Bilder aus der Zeitreihe, die eine summierte Intensität größer als der Schwellenwert zu haben. Siehe Abschnitt 1.2.3.2 zur Orientierung bei der Minimierung der Menge von Bildern für die in diesem Fall.
   2. Wandeln Sie verbleibende Graustufenbilder in binäre Bilder mit einem Schwellenwert. In diesem Fall verwenden wir Otsu Methode, um den Schwellenwert zu bestimmen, der Partikel in weiß und der Hintergrund schwarz konvertiert.
   3. Führen Sie Blob-Analyse für jedes Bild.
      1. Regionen der Konnektivität in schwarz / weiß Bild - nachstehend Objekte zu identifizieren. In der Regel wird eine Anbindung von 8 Pixel verwendet.
      2. Entfernen Sie alle Gegenstände, die im Bereich (d.h. die Anzahl der Pixel Objekt im Bild verbraucht) viel kleiner sind als die typische Partikelgröße in Pixel im Bild, in der Regel um 3 Pixel.
   4. Berechnen Sie die Partikel-Bahnen.
      1. Der Schwerpunkt aller (Rest-) Objekte im ersten Bild zu identifizieren.
      2. Suchen Sie für jedes Objekt erkannt das nachfolgende Bild für das gleiche Objekt durch die Suche in einer Region in der Nähe der Schwerpunkt in das vorherige Bild. Wenn nur ein Teilchen/Objekt innerhalb des Suchfensters gefunden wird, dann weiter die Flugbahn, und notieren Sie sich der Speicherort der Schwerpunkt in diesem Bild; Andernfalls beenden Sie die Flugbahn.
         Hinweis: Zu groß für eine Suche Bereich kann falsche Identifikation des Teilchens in der nachfolgenden Abbildung führen, also das Suchgebiet sein sollte, da so weit wie möglich eingeschränkt ohne Verzerrungen in den Ergebnissen. Wenn die Position des Objekts in der unmittelbar darauf folgenden häufig auf die maximale Reichweite des Suchfensters ist, ist das Suchfenster nicht groß genug.
      3. Wiederholen Sie Schritt 2.2.4.2, bis das Objekt nicht mehr in der nachfolgenden Abbildung gefunden werden kann. In diesem Fall gilt die Flugbahn beendet.
         Hinweis: Wenn die Mehrheit der Partikel verfolgt sind durchweg kurz (z. B. weniger als 5 Bilder), dann ist dieses Ergebnis deutet, dass es erhebliche dreidimensionale Bewegung und, dass diese Methode nicht geeignet ist. Als Faustregel gilt sollten Partikel Spuren mindestens ¼ des Partikels tracking FOV¹⁴; aber Notwendigkeit, bestimmte Spur Längen kann mit Anwendung variieren.
      4. Wiederholen Sie die Schritte 2.2.4.1-2.2.4.3 beginnend mit dem zweiten Rahmen für alle Objekte, die nicht bereits vom Frame 1 verfolgt. Wiederholen Sie diesen Vorgang für alle möglichen Start-Frames. Das Ergebnis ist eine Bibliothek von Teilchen Trajektorien in das Experiment.

3. Analyse

1. Berechnen Sie Teilchen Geschwindigkeiten und Beschleunigungen von Position Flugbahnen, gewonnen aus den High-Speed-Aufnahmen für die PT verwendet.
   1. Unterscheiden Sie die Partikel-Bahnen erfüllt in 2.2 in der Zeit (basierend auf dem Frame Rate im Schritt 1.2.3.2) zur Berechnung der Geschwindigkeiten in beide Richtungen. Diese Zeit Differenzierung führt zu Schätzungen der Lagrangeschen Geschwindigkeit der Partikel in Pixel pro Zeiteinheit.
      Hinweis: Dieser Schritt muss nur ausgeführt werden, wenn die Geschwindigkeitsinformation der Partikel gewünscht wird.
   2. Kalibrieren Sie die Geschwindigkeiten durch die Umwandlung der Geschwindigkeiten von Pixel pro Zeiteinheit, pro Zeiteinheit zu distanzieren. Der Umrechnungsfaktor (Entfernung pro Pixel) erhalten Sie durch untersuchen den Abstand zwischen den Markierungen auf das Kalibrierungstarget im Schritt 1.3.3 abgebildet.
2. Führen Sie Reynolds Zerlegung auf PIV Vektorkarten, turbulente Mengen zu berechnen.
   1. Berechnen Sie das Ensemble-Mittel über alle PIV Geschwindigkeit Vektorkarten gesammelt an jedem Standort in der PIV-Vektorkarten von Schritt 2.1 erhalten.
   2. Führen Sie eine Reynolds Zerlegung durch Subtraktion dieser Mittelwerte berechnet in 3.2.1 von der momentanen Geschwindigkeiten in jeder Karte, um die Zeitreihe der turbulenten Geschwindigkeit Fluktuationen zu erhalten.
   3. Statistiken von Interesse, z. B. turbulenten Geschwindigkeit Root-Mean-Square (RMS) zu berechnen. Alternativ könnte man turbulente Schwankungen an den genauen Partikel Positionen innerhalb der Flugbahnen untersuchen.

Ergebnisse

Eine schematische Darstellung der Versuchsanordnung ist in Abbildung 1dargestellt. Die Abbildung zeigt die Anordnung der hellen Blätter (LED und Laser), die Überlappung in der FOVs und die Position des FOVs im Vergleich zu den oszillierenden Raster und Tankwänden. Die Turbulenzen und Partikel werden gleichzeitig, wie im Abschnitt Protokoll beschrieben gemessen. Abbildung 2 zeigt Beispielergebnisse der Messungen der momentanen Ges...

Diskussion

Die hier beschriebene Methode ist relativ kostengünstig und bietet eine einfache Möglichkeit, gleichzeitig Teilchen Flugbahnen und Turbulenzen zu messen, um den Einfluss der Strömung auf Partikel Kinematik zu untersuchen. Es ist zu erwähnen, dass Ströme oder Partikel-Bewegungen, die stark dreidimensional sind nicht geeignet für diese Technik sind bemerkenswert. Die Out-of-Plane-Bewegung führt zu Fehler¹⁷ in der 2D tracking und der PIV-Analyse und minimiert werden. Darüber hinaus erfordert die Meth...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Optische Linsen	CVI LASER OPTICS	Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV	Andere Optikfirmen sind akzeptabel. Sphärische und zyklindrische Linsen zur Erzeugung von PIV-Lichtblechen.
Kameraobjektiv für PIV	Nikon	Nikkor 105mm f/2D	Andere Kameraobjektivhersteller sind akzeptabel. Kameraobjektiv für PIV-Bildgebung.
Kameraobjektiv für	Highspeed-Nikon	Nikkor 50mm f/1.8D	Andere Kameraobjektivhersteller sind akzeptabel. Kameraobjektiv für Highspeed-Bildgebung.
Gepulster Doppelkopflaser	Quantel	EverGreen: 532 nm, 70mJ@15Hz	Andere Laserhersteller sind akzeptabel. Doppelkopf-Pulslaser für PIV: Nd:YAG
LED-Linienlicht	Gardasoft Vision, Ltd.	VLX2 LED-Linienbeleuchtung - Grün - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04	Andere Firmen sind akzeptabel. Linienlicht für LED.
PIV-Säen von Partikeln/Tracern	Potters Industries	SPHERISCHE Hohlglaskugeln: 11 mm durchschnittlicher Durchmesser	Andere Unternehmen sind akzeptabel. PIV-Seeding-Partikel
CCD-Kreuzkorrelationskamera	TSI, Inc.	POWERVIEW 11M: CCD, Doppelbelichtung, 4008x2672 Pixel @ 4,2 Hz mit 12 Bit dynmischem Bereich	Andere Hersteller sind akzeptabel. CCD-Kamera mit Doppelbelichtung für PIV-Bildgebung.
Hochgeschwindigkeitskamera	Photron	FASTCAM SA3; Modell 60K: 1024x1024 Pixel @ 1kHz	Andere Unternehmen sind akzeptabel. CMOS-Kamera für Hochgeschwindigkeits-Bildgebung.
Synchronisierer	TSI, Inc.	LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036	Andere Unternehmen sind akzeptabel. Synchronisieren Sie die Erfassung der PIV-Kamera und des Lasers.
Kalibrierziel	TSI, Inc.		Andere Unternehmen sind akzeptabel. Präzisionstarget für die Bildkalibrierung.