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

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-Lösung gefüllt ist. Vor dem Fortfahren sicherstellen, dass die Kameras und die Datenerfassungssoftware bereit sind. Bereiten Sie sich darauf vor, die etwa 10.000 Tetraden, die für diesen Versuch vorbereitet wurden, dem Tank hinzuzufügen.

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.