Name: Verfahren zur Messung der Neigung und Drehrate von 3D-gedruckten Particles in Turbulence (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-06-24T13:00:00.000+00:00
Duration: 12 min 34 s
Description: Erfahren Sie, wie 3D-gedruckte anisotrope Partikel in turbulenter Strömung vermessen werden. Diese Methode ermöglicht präzise zeitaufgelöste Messungen von Orientierung und Rotation komplexer Partikelformen für die Strömungsforschung.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Wir danken Susantha Wijesinghe, die entworfen und konstruiert, um das Bildkompressionssystem, das wir verwenden. Wir danken für die Unterstützung von der NSF Zuschuss DMR-1208990.

<ol><li>Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+the+Solid-body+Rotation+of+Anisotropic+Particles+in+3D+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22New+J.+Phys%22%5BJournal%5D)">Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence.</a> New J. Phys. 16, 102001(2014).</li>
<li>Bretherton, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+motion+of+rigid+particles+in+a+shear+flow+at+low+Reynolds+number%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number.</a> J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).</li>
<li>Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+quantitative+study+of+three-dimensional+Lagrangian+particle+tracking+algorithms%5BTitle%5D)+AND+%22Exp.+in+Fluids%22%5BJournal%5D)">A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms.</a> Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).</li>
<li>Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from:
 <a target="_blank" href="www.openptv.net">www.openptv.net</a> (2014).</li>
<li>Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotation+Rate+of+Rods+in+Turbulent+Fluid%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid.</a> Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501(2012).</li>
<li>Parsa, S., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Inertial+Range+Scaling+in+Rotations+of+Long+Rods+in+Turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence.</a> Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501(2014).</li>
<li>Tsai, R. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+versatile+camera+calibration+technique+for+high-accuracy+3d+machine+vision+metrology+using+off-the-shelf+tv+cameras+and+lenses%5BTitle%5D)+AND+%22IEEE+Journal+of+Robotics+and+Automation%22%5BJournal%5D)">A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses.</a> IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).</li>
<li>Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Effects+of+nonuniversal+large+scales+on+conditional+structure+functions+in+turbulence%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence.</a> Phys. Fluids. 22 (1), 015107(2010).</li>
<li>Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Experimental+study+of+relative%2C+turbulent+diffusion%5BTitle%5D)+AND+%22RISO+Internal+Report%22%5BJournal%5D)">Experimental study of relative, turbulent diffusion.</a> RISO Internal Report. , R-1036 (1999).</li>
<li>Chan, K., Stich, D., Voth, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Real-time+image+compression+for+high-speed+particle+tracking%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Real-time image compression for high-speed particle tracking.</a> Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704(2007).</li>
<li>Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aGoldstein%2C+H+%22Classical+Mechanics%2C+3rd+Edition%22">Classical Mechanics, 3rd Edition</a>. , Addison-Wesley Publishing Company. 134-180 (2002).</li>
<li>Parsa, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Rotational+dynamics+of+rod+particles+in+fluid+flows%22">Rotational dynamics of rod particles in fluid flows</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2013).</li>
<li>Wijesinghe, S. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=%22Measurement+of+the+effects+of+large+scale+anisotropy+on+the+small+scales+of+turbulence%22">Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence</a>. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2012).</li>
<li>Wallace, J., Foss, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+Measurement+of+Vorticity+in+Turbulent+Flows%5BTitle%5D)+AND+%22Annu.+Rev.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).</li>
<li>Su, L., Dahm, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scalar+imaging+velocimetry+measurements+of+the+velocity+gradient+tensor+field+in+turbulent+flows.+I.+Assessment+of+errors%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Fluids%22%5BJournal%5D)">Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors.</a> Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).</li>
<li>Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Lagrangian+measurement+of+vorticity+dynamics+in+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow.</a> J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).</li>
<li>Frish, M., Webb, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Direct+measurement+of+vorticity+by+optical+probe%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Direct measurement of vorticity by optical probe.</a> J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tracking+the+dynamics+of+translation+and+absolute+orientation+of+a+sphere+in+a+turbulent+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow.</a> Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906(2011).</li>
<li>Zimmerman, R., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rotational+Intermittency+and+Turbulence+Induced+Lift+Experienced+by+Large+Particles+in+a+Turbulent+Flow%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow.</a> Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501(2011).</li>
<li>Klein, S., Gibert, M. athieu, Bérut, A., Bodenschatz, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Simultaneous+3D+measurement+of+the+translation+and+rotation+of+finite-size+particles+and+the+flow+field+in+a+fully+developed+turbulent+water+flow%5BTitle%5D)+AND+%22Meas.+Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow.</a> Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).</li>
<li>Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Shape+effects+on+turbulent+modulation+by+large+nearly+neutrally+buoyant+particles%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Fluid+Mech%22%5BJournal%5D)">Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles.</a> J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).</li>
</ol>

Die Autoren haben keine konkurrierenden finanziellen Interessen offen zu legen.

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...

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.

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

verfahren zur messung der neigung und drehrate von 3d-gedruckten particles in turbulence

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

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.

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....

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.

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

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments besteht darin, mit dem 3D-Drucker Partikel unterschiedlichster Formen herzustellen und ihre Bewegung in einer turbulenten Strömung zu messen. Diese Methode kann helfen, zentrale Fragen der Strömungsmechanik zu beantworten, beispielsweise wie Partikel sich in turbulenten Fluidströmungen drehen und ausrichten. Ihr Hauptvorteil liegt darin, dass präzise, zeitaufgelöste Messungen der Orientierungen von Partikeln mit komplexen Formen ermöglicht werden, was mit früheren Methoden nicht erreichbar war.Diese Methode hat Einblicke in die Bewegung von Scheiben und Kugeln in turbulenter Strömung ermöglicht und kann verwendet werden, um die Dynamik von Teilchen mit komplexen Formen in vielen weiteren Situationen zu messen. Im Allgemeinen haben Personen, die neu in dieser Methode sind, Schwierigkeiten mit der 3D-Kamerakalibrierung und der Anpassung des Orientierungsfindungsalgorithmus an die jeweils verwendeten spezifischen Teilchen. Bei der Demonstration des Verfahrens wird Guy Marcus helfen, der die ursprünglichen Experimente mit Kreuzen und Jacks durchgeführt hat.Beginnen Sie damit, mithilfe einer computergestützten Konstruktionssoftware Partikelmodelle zum Drucken zu erstellen. Um in AutoCAD eine Triade zu erstellen, zeichnen Sie zunächst mit dem Befehl „Kreis“ einen Kreis mit einem Durchmesser von 0,3 Millimetern. Verwenden Sie anschließend den Befehl „Extrudieren“, um einen drei Millimeter langen Zylinder zu erzeugen.Zylinder dieser Größe sind die Bausteine der Partikel. Verwenden Sie nun den Drehbefehl und wählen Sie die Drehachse entlang der X-Achse sowie den Drehwinkel auf 90 Grad. Passen Sie die Ansicht so an, dass ausreichend Platz für die Arbeit mit weiteren Zylindern vorhanden ist.Erstellen Sie anschließend eine Kopie des Zylinders, die den zweiten Arm des Triads bilden wird. Wenden Sie am Ende dieses Zylinders den Befehl „3D drehen“ an, wobei die Drehachse entlang der Z-Achse verläuft. Drehen Sie den Zylinder um 120 Grad für das Triad.Bewegen Sie den gedrehten Zylinder in Position, um einen Arm des Triads zu bilden. Die Mittelpunkte der Zylinderenden sollten übereinstimmen. Fertigen Sie den dritten Arm auf die gleiche Weise an und positionieren Sie ihn entsprechend.Drehen Sie anschließend das Objekt so, dass kein Zylinder entlang der vertikalen oder horizontalen Achse verläuft. Wenn alle Arme an ihrer Position sind, wählen Sie sie alle aus und verwenden Sie den Vereinigungsbefehl, um sie zu einem einzigen Objekt zusammenzufügen. Speichern Sie die Datei in einem Format für den 3D-Druck.Erstellen Sie die weiteren Teilchen, die im Experiment verwendet werden sollen, indem Sie ähnliche Schritte befolgen. Neben der Triade gibt es das Kreuz, bestehend aus zwei orthogonalen Zylindern mit einem gemeinsamen Mittelpunkt, das Jack, bestehend aus drei zueinander orthogonalen Zylindern mit einem gemeinsamen Mittelpunkt, und die Tetrad, bei der die Zylinder ein gemeinsames Ende teilen und zueinander Winkel von 109,5 Grad bilden. Lassen Sie jeweils etwa 10.000 Exemplare jedes Teilchentyps im Hochauflösungsmodus drucken.Bereiten Sie vor, die gedruckten Partikel in einer Lösung zu lagern, in der sie neutral schwimmfähig sind. Verwenden Sie hierfür eine Calciumchloridlösung und etwa 1.600 Liter Wasser bei der Dichte der neutralen Schwimmfähigkeit. Entnehmen Sie etwa einen Liter der Lösung, um jeden Partikeltyp zu lagern.Nehmen Sie den Liter Lösung an den Arbeitsplatz und beginnen Sie die Arbeit mit den Partikeln. Die in diesem Experiment verwendeten Partikel wurden kommerziell gedruckt. Sie liegen in einem Harz eingeschlossen vor, das als Stützmaterial dient.Lösen Sie die Partikel, indem Sie die großen Stücke vorsichtig in kleinere Abschnitte zerbrechen. Bearbeiten Sie jeden Abschnitt von Hand, indem Sie ihn sanft kneten, bis ein Großteil des überschüssigen Harzes abfällt. Dies erleichtert die späteren Schritte.Um die Partikel weiter zu reinigen, bereiten Sie eine 10 %ige Massenlösung von Natriumhydroxid in einem Becher vor. Geben Sie anschließend einige Partikel zusammen mit den Resten ihrer Harzumhüllung in den Becher, um das Harz zu entfernen. Stellen Sie den Becher mit der Lösung in ein Ultraschallbad.Halten Sie die Partikel zunächst eine Stunde im Ultraschallbad und danach nach der Spülung дополнительно eine halbe Stunde. Um die Partikel zurückzugewinnen, bereiten Sie einen zweiten Becher vor, der die Natronlauge aus dem Bad sowie einen Filter aufnimmt. Sobald die Ultraschallreinigungsschritte abgeschlossen sind, nehmen Sie den Becher mit Handschuhen aus dem Bad und gießen Sie den Inhalt durch den Filter in den zweiten Becher. Spülen Sie die Partikel, bevor Sie sie in die dichtegleiche Lösung überführen, in der sie eingetaucht werden, um eine Verformung zu verhindern. Dies sind Partikel, die von ihrem Harz befreit, in einem Ultraschallbad gereinigt und nun bereit zur Anfärbung sind, damit sie unter grünem Laserlicht fluoreszieren. Verwenden Sie zur Anfärbung der Partikel eine einliterige wässrige Lösung aus Rhodamin-B-Farbstoff und stellen Sie sie auf einen Heizblock.Erhitzen Sie den Farbstoff auf 80 Grad Celsius für das Material dieses Partikels. Füllen Sie einen kleinen Behälter locker mit Partikeln aus der Lagerung. Dies entspricht etwa 2.500 Partikeln.Geben Sie die Partikel zur Farbstofflösung hinzu und halten Sie die Temperatur während des Eintauchens aufrecht. Entfernen Sie nach etwa zwei oder drei Stunden die Lösung und die Partikel von der Wärmequelle. Filtern Sie die Partikel mithilfe eines Siebs und eines separaten Behälters von der Lösung ab.Seien Sie vorsichtig, um sie nicht zu beschädigen, solange sie durch die Hitze weich sind. Spülen Sie die Partikel anschließend vorsichtig aus, um überschüssigen Farbstoff zu entfernen. Danach lagern Sie sie in der Lösung mit neutraler Dichte, bis sie für das Experiment benötigt werden.Das Experiment findet in einem Tank statt, in dem Kameras so angeordnet sind, dass sie die Teilchen in der Mitte der Strömung aufzeichnen. Dieses Schema bietet einen Überblick über den Aufbau des Tanks, der einen achteckigen Querschnitt aufweist, oszillierende Gitter zur Erzeugung turbulenter Strömung, das Messvolumen und die Positionen der Kameras. Verwenden Sie mindestens vier Kameras, um die Genauigkeit der Orientierungsmessung sicherzustellen.Jede Kamera sollte eine Auflösung von mindestens einem Megapixel bei 450 Bildern pro Sekunde aufweisen und mit einem dedizierten Computer verbunden sein. Positionieren Sie die Kameras mit großen Winkeln zwischen jeweils zwei Kameras und stellen Sie sicher, dass alle auf das gewünschte Messvolumen fokussiert sind. Um optische Verzerrungen zu minimieren, sind in den Tank Sichtfenster eingebaut, die senkrecht zur Blickrichtung der Kameras verlaufen.Als Nächstes platzieren Sie eine Bildkalibrierungsmaske im Messvolumen des Tanks. Dies ermöglicht die Analyse der von den Kameras gesammelten experimentellen Daten. Um die experimentellen Bedingungen zu simulieren, beginnen Sie damit, den Tank mit der volumetrischen neutralen Auftriebslösung zu füllen.Wenn der Tank gefüllt ist, richten Sie die Beleuchtung so ein, dass die Maske beleuchtet wird. Danach kehren Sie zur Arbeit mit den Kameras zurück. Richten Sie den Fokus jeder Kamera auf denselben Punkt der Maske, nehmen Sie anschließend Bilder zur Kalibrierung auf und speichern Sie diese.Nachdem der Tank entleert wurde, setzen Sie das Experiment fort, indem Sie einen Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser platzieren. Richten Sie einen Strahlteiler so ein, dass er einen Teil des Laserstrahls zu einem Spiegel lenkt. Das Licht gelangt vom Spiegel durch Linsen, die einen zylindrischen Strahl formen, und anschließend in den Tank.Auf der gegenüberliegenden Seite des Tanks einen Spiegel platzieren, um das austretende Laserlicht zurück entlang seines Pfads zu reflektieren. Das andere Ausgangssignal des Strahlteilers sowie eine ähnliche Anordnung aus Spiegeln und Linsen verwenden, um wie in diesem schematischen Draufsicht einen zylindrischen Strahl senkrecht zum ersten zu erzeugen. Die Spiegel an den Austrittsstellen der Strahlen tragen zu einer gleichmäßigeren Beleuchtung bei.Danach den Tank untersuchen, der mit entgastem, neutral schwimmfähigem Calciumchlorid-L&ouml;sung gef&uuml;llt ist. Vor dem Fortfahren sicherstellen, dass die Kameras und die Datenerfassungssoftware bereit sind. Bereiten Sie sich darauf vor, die etwa 10.000 Tetraden, die f&uuml;r diesen Versuch vorbereitet wurden, dem Tank hinzuzuf&uuml;gen.Bewegen Sie sie in Position in der Nähe der Öffnung an der Oberseite des Tanks. Wenn Sie bereit sind, öffnen Sie die Öffnung und geben Sie die Partikel ins Wasser im Tank. Schließen Sie die Öffnung, sobald alle Partikel hinzugefügt wurden.Als Nächstes zum Laser wechseln. Dort den Laser einschalten und die Laserblende öffnen. Anschließend mit den Gittersteuerungen das Gitter beginnen, mit drei Hertz zu oszillieren. Lassen Sie das Gitter im Tank etwa eine Minute lang oszillieren, damit sich die Turbulenz vollständig entwickeln kann. Beginnen Sie zu diesem Zeitpunkt mit der Datenaufnahme und nehmen Sie etwa eine Million Bilder auf. Beenden Sie nach Abschluss des Laufs die Datensammlung und schließen Sie die Laserblende.Nachdem alle Experimente durchgeführt wurden, begeben Sie sich zum Tankauslass. Dort platzieren Sie einen Filter, um die Partikel aus der Lösung zu entfernen, und leeren den Tank. Bewahren Sie die gesammelten Partikel in der lösungsmittelgleichen Aufschlämmung für die spätere Verwendung auf.Führen Sie die Datenanalyse der aufgezeichneten Bilder mithilfe einer Software durch, um die Partikelposition und -orientierung zu bestimmen. Die folgenden Schritte werden in der Software implementiert. Beginnen Sie mit vier synchronen Bildern eines Partikels, die von den vier Kameras aufgenommen wurden, und verwenden Sie zweidimensionale Informationen, um die dreidimensionale Position zu ermitteln.Projizieren Sie ein dreidimensionales numerisches Modell des beleuchteten Partikels mithilfe der Kalibrierungsparameter auf jede Kamera. Dadurch entsteht ein zweidimensionales Modell der Lichtintensität des Partikels auf allen vier Kameras. Führen Sie anschließend eine nichtlineare Ausgleichsrechnung nach der Methode der kleinsten Quadrate durch, um die Modellorientierung zu finden, die am besten zu den Bildern auf allen vier Kameras passt.Kombinieren Sie die Informationen aus allen vier Kameras, um den Unterschied zwischen dem auf jede Kamera projizierten Modell und dem beobachteten Partikel zu minimieren. Diese Schritte werden für alle Bilder durchgeführt, in denen Partikel im Sichtfeld aller Kameras sichtbar sind. Dies ist die Entwicklung eines Tetraden in Position und Orientierung.Beachten Sie die diskontinuierliche Änderung der Orientierung der Tetrad-Arme, die ohne Sicherungen möglich ist. Diese zweite Version der Tetrad-Entwicklung zeigt, dass die Software dafür sorgt, dass die Ölerwinkel für jeden Frame die geringste Drehung gegenüber dem vorherigen Frame sind. Die Positions- und Orientierungsinformationen werden für die spätere Verwendung gespeichert.Dies ist ein Kamerabild eines Tetrads im Experiment. In der zweiten Aufnahme zeigt das überlagerte Modell die vom Algorithmus bestimmte Orientierung an. Trotz der Einfachheit des zweidimensionalen Intensitätsmodells liefert die Methode genaue Messungen der Teilchenorientierung.In dem Experiment wird der Orientierungsalgorithmus verwendet, um die Entwicklung der Ölerwinkel entlang der gesamten Bahn jedes Partikels zu ermitteln. Dabei handelt es sich um eine Rekonstruktion der vollständigen Bahn eines Tetramers über das gesamte Sichtvolumen. Dies wird erreicht, indem für jeden Bildrahmen, in dem der Partikel von allen vier Kameras erfasst wird, die Orientierung und die dreidimensionalen Koordinaten des Partikels kombiniert werden.Die Länge der Spur beträgt 229 Bilder. Beachten Sie, dass das Teilchen nicht maßstabsgetreu dargestellt ist. Die Daten ermöglichen zudem die Bestimmung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der gemessenen Taumelrate.Die roten Quadrate zeigen die Daten für Kreuze. Die blauen Kreise zeigen die Daten für Schlitze. Die durchgezogene Linie stellt das Ergebnis der numerischen Simulation von Kugeln dar, das sehr gut mit den experimentellen Daten übereinstimmt.Wenn die Technik einmal beherrscht ist, kann sie bei ordnungsgemäßer Durchführung innerhalb von drei Tagen durchgeführt werden. Während des Versuchsablaufs ist es wichtig, den Partikeln einige Stunden in Lösungen unterschiedlicher Dichte zu ermöglichen. Außerdem ist es unerlässlich, sicherzustellen, dass die Kameras während der gesamten Dauer des Experiments ordnungsgemäß ausgerichtet, befestigt und synchronisiert sind.Nach Durchführung dieses Verfahrens können andere Methoden, wie beispielsweise die Verfolgung von Tracerteilchen, genutzt werden, um zu messen, wie 3D-gedruckte Teilchen auf den vollständigen Geschwindigkeitsgradiententensor in der umgebenden Strömung reagieren. Nach dem Anschauen dieses Videos sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie anisotrope Teilchen verwendet werden können, um mithilfe von vier stereoskopischen Videobildern Informationen über den Geschwindigkeitsgradiententensor aus turbulenter Strömung zu gewinnen. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Rhodamin-B-Farbstoff und Natriumhydroxid gefährlich sein kann, und ergreifen Sie stets Vorsichtsmaßnahmen wie das Tragen von Handschuhen und Schutzbrille, während Sie dieses Verfahren durchführen.

methods-for-measuring-orientation-rotation-rate-3d-printed-particles

Research

Forschung

JoVE Journal

Engineering

Ingenieurwesen

Eine dreidimensionale Particle Tracking Velocimetry (3D-PTV-System) auf der Basis einer Hochgeschwindigkeitskamera mit einem Vier-view Teiler wird hier beschrieben. Die Technik wird in der Nähe von zehn Durchmessern stromabwärts bei Reynolds - Zahl Re ≈ 7,000 auf einen Strahlstrom von einem kreisförmigen Rohr aufgebracht.

Dreidimensionale Particle Tracking Velocimetry für Turbulence Anwendungen: Fall eines Jet Fluss

Zwei verschiedene Methoden zur Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung eine einzelne Perle als Funktion der Sediment Bett Geometrie von laminarer zu turbulenter Strömung werden vorgestellt.

Visuell basierte Charakterisierung der beginnenden Partikelbewegung in regelmäßigen Substraten: vom laminaren zum turbulenten Bedingungen

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.

Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

Dieses Protokoll zeigt die Fähigkeit, den reaktiven Inkjet-Druck zum Drucken von selbstmotile biokompatible und umweltfreundliche Mikro-Rührwerke für den Einsatz in biomedizinischen und ökologischen Anwendungen zu nutzen.

Reaktive Inkjet-Druck-und Antriebsanalyse von seidenbasierten, selbstfahrenden Mikro-Rührern

Dieses Protokoll stellt eine Methode zur Analyse der Emission von 3D-Druckstiften dar. Die Partikelkonzentration und die Partikelgrößenverteilung des freigesetzten Teilchens werden gemessen. Freigesetzte Teilchen werden mit der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) weiter analysiert. Der Metallgehalt in Filamenten wird durch induktiv gekoppelte Plasmamassenspektrometrie (ICP-MS) quantifiziert.

3D-Druck - Bewertung der Partikelemissionen eines 3D-Druckstifts

Wir haben Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition werden dünne Schichten im Bereich von einigen nm bis einigen 100 nm auf Nanopartikeln aus verschiedenen Materialien abzuscheiden. Wir anschließend Ätzen der Kernmaterial hohlen Nanohüllen, deren Durchlässigkeit wird durch die Dicke der Schale gesteuert zu erzeugen. Wir beschreiben die Durchlässigkeit dieser Beschichtungen auf kleinen gelösten Stoffen und zeigen, dass diese Barrieren können eine verzögerte Freisetzung des Kernmaterials über...

Encapsulation und Permeabilitätseigenschaften von plasmapolymerisierten Hohlteilchen

Dieses Papier zeigt das experimentelle Verfahren zur Messung der terminalen Absetzgeschwindigkeiten sphärischer Partikel in tensidbasierten, hauchdünnenden viskoelastischen Flüssigkeiten. Flüssigkeiten über eine Vielzahl von rheologischen Eigenschaften werden hergestellt und Absetzgeschwindigkeiten für eine Reihe von Partikelgrößen in ungebundenen Flüssigkeiten und Flüssigkeiten zwischen parallelen Wänden gemessen.

Experimentelle Messung der Settling Velocity von sphärischen Partikeln in unbeschränkten und geschlossenen Tensid-basierten Scherdünnungsviskoelastischen Flüssigkeiten

Acoustofluidic Geräte verwenden Ultraschallwellen in mikrofluidischen Kanälen zu manipulieren, zu konzentrieren und suspendierten Mikro- und nanoskopische Einheiten zu isolieren. Dieses Protokoll beschreibt die Herstellung und den Betrieb einer solchen Vorrichtung bulk acoustic stehenden Wellen tragenden Teilchen in einem zentralen Strömungslinie zu konzentrieren, ohne die Hilfe von Mantelflüssigkeiten.

Herstellung und Betrieb von Acoustofluidic Devices Unterstützung Bulk-Acoustic-Standing Waves für sheathless Fokussierung der Partikel

Ein Scanner zum Abbilden magnetischen Teilchen in planar Proben wurde unter Verwendung des planaren Frequenzmisch magnetischen Detektionstechnik entwickelt. Das magnetische Intermodulationsprodukt Antwort von der nichtlinearen hysteresefreie Magnetisierung der Teilchen wird bei einer Zweifrequenzanregung aufgezeichnet. Es kann verwendet werden 2D-Bilder von dünnen biologischen Proben zu nehmen.

Frequenzmisch Magnetische Erkennung Scanner für die Bildgebung magnetische Partikel in Planar Proben

Dieser Beitrag stellt eine impedanzbasierte Vorrichtung zur Verdampfungsrate Erkennung von Lösungen. Es bietet klare Vorteile gegenüber einem herkömmlichen Gewichtsverlust Ansatz: eine schnelle Reaktion, hochempfindlichen Erkennung, eine kleine Probe Anforderung, mehrere Probenmessungen und einfache Demontage zur Reinigung und Wiederverwendung Zwecke.

Ein Hochleistungs-Impedanz-basierte Plattform für die Verdampfungsrate Erkennung

Erfahren Sie, wie 3D-gedruckte anisotrope Partikel in turbulenter Strömung vermessen werden. Diese Methode ermöglicht präzise zeitaufgelöste Messungen von Orientierung und Rotation komplexer Partikelformen für die Strömungsforschung.

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

Weitere Videos entdecken