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

Das übergeordnete Ziel dieses Experiments ist es, mit dem 3D-Drucker Partikel unterschiedlichster Formen herzustellen und ihre Bewegung in einer turbulenten Strömung zu messen. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen der Fluiddynamik zu beantworten, z. B. wie sich Partikel in turbulenten Strömungen drehen und ausrichten. Sein Hauptvorteil besteht darin, dass es präzise, zeitaufgelöste Messungen der Orientierungen von Partikeln mit komplexen Formen ermöglicht, die mit früheren Methoden nicht erreicht werden konnten.

Diese Methode hat Einblicke in die Bewegung von Scheiben und Kugeln in Turbulenzen gegeben und kann verwendet werden, um die Dynamik von Partikeln mit komplexen Formen in vielen anderen Situationen zu messen. Im Allgemeinen haben Personen, die mit dieser Methode noch nicht vertraut sind, Schwierigkeiten mit der Kalibrierung von 3D-Kameras und der Anpassung des Algorithmus zur Orientierungsfindung an bestimmte spezifische Partikel, die verwendet werden. Bei der Demonstration des Verfahrens wird Guy Marcus helfen, der die ursprünglichen Experimente mit Kreuzen und Wagenhebern durchgeführt hat.

Beginnen Sie mit der Verwendung von computergestützter Designsoftware, um Partikelmodelle für den Druck zu erstellen. Um eine Dreiergruppe mit AutoCAD zu erstellen, verwenden Sie zunächst den Befehl Kreis, um einen Kreis mit einem Durchmesser von 0,3 Millimetern zu zeichnen. Verwenden Sie dann den Befehl extrudieren, um einen Zylinder mit einer Länge von drei Millimetern zu erstellen.

Zylinder dieser Größe sind die Bausteine der Partikel. Verwenden Sie nun den Befehl "Drehen" und wählen Sie die Drehachse auf der X-Achse und den Drehwinkel auf 90 Grad aus. Passen Sie die Ansicht an, um Platz für die Arbeit mit anderen Zylindern zu schaffen.

Erstellen Sie als Nächstes eine Kopie des Zylinders, der der zweite Arm der Triade sein wird. Wenden Sie am Ende dieses Zylinders den Befehl 3D drehen mit der Rotationsachse entlang der Z-Achse an. Drehen Sie den Zylinder um 120 Grad für die Dreiergruppe.

Bewegen Sie den gedrehten Zylinder in Position, um einen Arm der Dreiergruppe zu bilden. Die Mittelpunkte der Zylinderenden sollten übereinstimmen. Den dritten Arm auf die gleiche Weise herstellen und positionieren.

Drehen Sie dann das Objekt so, dass kein Zylinder entlang des vertikalen oder horizontalen Zugriffs zeigt. Wenn alle Arme an ihrem Platz sind, markieren Sie sie alle und verwenden Sie den Befehl "Vereinigung", um sie zu einem einzigen Objekt zu verbinden. Speichern Sie die Datei in einem Format für den 3D-Druck.

Erstellen Sie die anderen Partikel, die im Experiment verwendet werden sollen, indem Sie ähnliche Schritte ausführen. Neben dem Dreiklang gibt es das Kreuz aus zwei orthogonalen Zylindern mit einem gemeinsamen Zentrum, den Wagenheber aus drei zueinander orthogonalen Zylindern mit einem gemeinsamen Mittelpunkt und die Vierheit, bei der die Zylinder ein gemeinsames Ende teilen und in einem Winkel von 109,5 Grad zueinander stehen. Lassen Sie etwa 10.000 Partikeltypen im hochauflösenden Modus drucken.

Bereiten Sie die Lagerung der gedruckten Partikel in einer Lösung vor, in der sie neutral schwimmfähig sind. Verwenden Sie dazu eine Lösung aus Calciumchlorid und ca. 1.600 Liter Wasser bei neutraler Auftriebsdichte. Entfernen Sie etwa einen Liter der Lösung, um jede Art von Partikeln zu lagern.

Nehmen Sie den Liter der Lösung mit auf die Bank und beginnen Sie mit der Arbeit mit den Partikeln. Die in diesem Experiment verwendeten Partikel wurden kommerziell gedruckt. Sie werden mit Harz ummantelt geliefert, das als Stützmaterial verwendet wird.

Befreien Sie die Partikel, indem Sie die großen Stücke vorsichtig in kleine Abschnitte brechen. Arbeite mit jedem Abschnitt, um ihn manuell zu massieren, bis sich ein Großteil des überschüssigen Harzes löst. Dies erleichtert die späteren Schritte.

Um die Partikel weiter zu reinigen, bereiten Sie eine 10%ige Massenlösung von Natriumhydroxid in einem Becherglas vor. Geben Sie dann einige Partikel und die Reste ihrer Harzhülle in das Becherglas, um das Harz zu entfernen. Schieben Sie das Becherglas mit der Lösung in ein Ultraschallbad.

Lassen Sie die Partikel zunächst eine Stunde und nach dem Spülen eine weitere halbe Stunde im Ultraschallbad. Um die Partikel zurückzugewinnen, bereiten Sie ein zweites Becherglas vor, um die Natronlauge aus dem Bad und einen Filter aufzunehmen. Nachdem die Ultraschallreinigungsschritte abgeschlossen sind, nehmen Sie das Becherglas mit Handschuhen aus dem Bad und gießen Sie den Inhalt durch den Filter in das zweite Becherglas.

Spülen Sie die Partikel aus, bevor Sie sie in die dichteangepasste Lösung bringen, wo sie eingetaucht werden, um eine Verformung zu vermeiden. Dabei handelt es sich um Partikel, die von ihrem Harz befreit, im Ultraschallbad gereinigt wurden und nun bereit zum Färben sind, um unter grünem Laserlicht zu fluoreszieren. Um die Partikel zu färben, verwenden Sie eine Ein-Liter-Lösung von Rhodamin-B-Farbstoff in Wasser und legen Sie sie auf eine heiße Platte.

Erhitzen Sie den Farbstoff auf 80 Grad Celsius für das Material dieses Partikels. Füllen Sie einen kleinen Behälter locker mit Partikeln aus dem Lager. Das werden etwa 2.500 Partikel sein.

Gib die Partikel in die Färbelösung und halte die Temperatur aufrecht, während sie eingetaucht sind. Entfernen Sie nach etwa zwei bis drei Stunden die Lösung und die Partikel vom Herd. Verwenden Sie ein Netz und einen separaten Behälter, um die Partikel aus der Lösung zu filtern.

Achten Sie darauf, sie nicht zu beschädigen, während sie durch die Hitze weich sind. Spülen Sie anschließend die Partikel vorsichtig ab, um überschüssige Farbe zu entfernen. Wenn Sie fertig sind, lagern Sie sie in der neutralen Auftriebslösung, bis sie für das Experiment benötigt werden.

Das Experiment findet in einem Tank statt, in dem Kameras platziert sind, um die Partikel im Zentrum der Strömung aufzuzeichnen. Dieses Schema gibt einen Überblick über den Aufbau des Tanks mit einem achteckigen Querschnitt, oszillierenden Gittern, die zur Erzeugung einer turbulenten Strömung verwendet werden, dem Messvolumen und den Kamerapositionen. Verwenden Sie mindestens vier Kameras, um die Genauigkeit der Ausrichtungsmessung zu gewährleisten.

Jede Kamera sollte eine Auflösung von mindestens einem Megapixel bei 450 Bildern pro Sekunde haben und an einen dedizierten Computer angeschlossen sein. Positionieren Sie die Kameras in großen Winkeln zwischen zwei beliebigen Kameras und stellen Sie sicher, dass sie alle auf das gewünschte Messvolumen fokussiert sind. Um optische Verzerrungen zu minimieren, sind Sichtöffnungen in den Tank eingebaut, die senkrecht zur Blickrichtung der Kamera stehen.

Platzieren Sie anschließend eine Bildkalibrierungsmaske in das Messvolumen des Tanks. Dies wird die Analyse der von den Kameras gesammelten experimentellen Daten ermöglichen. Um die Versuchsbedingungen zu simulieren, beginnen Sie, den Tank mit der neutralen Auftriebslösung zu füllen.

Wenn der Tank gefüllt ist, stellen Sie Lichter ein, um die Maske zu beleuchten. Kehren Sie als Nächstes mit den Kameras zur Arbeit zurück. Fokussieren Sie jede Kamera auf denselben Punkt auf der Maske, erfassen und speichern Sie dann Bilder für die Kalibrierung.

Nachdem Sie den Tank entleert haben, setzen Sie den Aufbau des Experiments fort, indem Sie einen Neodym-Yttrium-Aluminium-Granat-Laser platzieren. Arrangieren Sie einen Strahlteiler, um einen Teil des Laserstrahls auf einen Spiegel zu lenken. Das Licht gelangt vom Spiegel durch Linsen, die einen zylindrischen Strahl bilden, in den Tank.

Platzieren Sie auf der gegenüberliegenden Seite des Panzers einen Spiegel, um das austretende Laserlicht auf seinem Weg zurück zu reflektieren. Verwenden Sie den anderen Ausgang des Strahlteilers und eine ähnliche Anordnung von Spiegeln und Linsen, um einen zylindrischen Strahl senkrecht zum ersten Strahl zu erzeugen, wie in diesem Schaltplan von oben. Die Spiegel, an denen die Strahlen austreten, tragen zu einer gleichmäßigeren Ausleuchtung bei.

Überprüfen Sie dann den Tank, der mit entgaster Calciumchloridlösung mit neutralem Auftrieb gefüllt ist. Bevor Sie fortfahren, stellen Sie sicher, dass die Kameras und die Datenerfassungssoftware bereit sind. Bereiten Sie sich darauf vor, die etwa 10.000 Tetraden, die für dieses Experiment vorbereitet wurden, in den Tank zu geben.

Bringen Sie sie in die Nähe des Anschlusses an der Oberseite des Tanks. Wenn Sie fertig sind, öffnen Sie den Anschluss und geben Sie die Partikel in das Wasser im Tank. Schließen Sie den Anschluss, sobald alle Partikel hinzugefügt wurden.

Bewegen Sie sich als Nächstes zum Laser. Schalten Sie es dort ein und öffnen Sie die Laserblende. Verwenden Sie dann die Gittersteuerung, um das Gitter mit drei Hertz oszillieren zu lassen.

Lassen Sie das Gitter im Tank etwa eine Minute lang oszillieren, damit sich die Turbulenzen voll entfalten können. Beginnen Sie zu diesem Zeitpunkt mit der Datenerfassung und zeichnen Sie etwa eine Million Frames auf. Stoppen Sie am Ende des Laufs die Datenerfassung und schließen Sie die Laserblende.

Nachdem alle Experimente durchgeführt wurden, begeben Sie sich zum Tankauslass. Platzieren Sie dort einen Filter, um die Partikel aus der Lösung zu entfernen, und leeren Sie den Tank. Bewahren Sie die gesammelten Partikel in der neutralen Auftriebslösung für die spätere Verwendung auf.

Führen Sie eine Datenanalyse der aufgenommenen Bilder mit Hilfe von Software durch, um die Position und Ausrichtung der Partikel zu ermitteln. Die folgenden Schritte sind in Software implementiert. Beginnen Sie mit vier synchronen Bildern eines Partikels, die von den vier Kameras aufgenommen wurden, und verwenden Sie zweidimensionale Informationen, um seine dreidimensionale Position zu bestimmen.

Projizieren Sie ein dreidimensionales numerisches Modell des beleuchteten Teilchens auf jede Kamera unter Verwendung der Kamerakalibrierungsparameter. Dadurch entsteht ein zweidimensionales Modell der Lichtintensität des Partikels auf allen vier Kameras. Führen Sie als Nächstes eine nichtlineare Anpassungsroutine der kleinsten Quadrate aus, um die Modellausrichtung zu finden, die am besten zu dem passt, was auf allen vier Kameras zu sehen ist.

Kombinieren Sie die Informationen aller vier Kameras, um die Differenz zwischen dem auf jede Kamera projizierten Modell und dem beobachteten Partikel zu minimieren. Diese Schritte werden für alle Frames ausgeführt, bei denen Partikel in der Ansicht aller Kameras sind. Dies ist die Evolution einer Vierheit in Position und Orientierung.

Beachten Sie die diskontinuierliche Änderung in der Ausrichtung der Tetradenarme, die ohne Schutzmaßnahmen möglich ist. Diese zweite Version der Tetraden-Evolution zeigt, dass die Software sicherstellt, dass die Ölerwinkel für jeden Frame die kleinste Umdrehung im Vergleich zum vorherigen Frame sind. Die Positions- und Ausrichtungsinformationen werden für die spätere Verwendung gespeichert.

Dies ist ein Kamerabild einer Vierheit im Experiment. Im zweiten Bild zeigt das überlagerte Modell die Orientierung an, wie sie vom Algorithmus gefunden wurde. Trotz der Einfachheit des zweidimensionalen Intensitätsmodells ermöglicht die Methode genaue Messungen der Partikelorientierung.

Im Experiment wird der Algorithmus zur Orientierungsfindung verwendet, um die Entwicklung der Ölwinkel entlang der gesamten Flugbahn jedes Teilchens zu erhalten. Dies ist eine Rekonstruktion der vollständigen Trajektorie einer Tetrade über das Betrachtungsvolumen. Dies wird erreicht, indem die Ausrichtung und die dreidimensionalen Koordinaten des Partikels für jedes Bild, in dem es von allen vier Kameras betrachtet wird,

Die Länge der Spur beträgt 229 Frames. Beachten Sie, dass das Partikel nicht maßstabsgetreu gezeichnet wird. Die Daten ermöglichen auch die Bestimmung der Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion der gemessenen Taumelrate.

Die roten Quadrate sind Daten für Kreuze. Blaue Kreise sind Daten für Buchsen. Die durchgezogene Linie stellt das Ergebnis einer numerischen Simulation von Kugeln dar, die sehr gut mit den experimentellen Daten übereinstimmt.

Einmal gemeistert, kann diese Technik in drei Tagen durchgeführt werden, wenn sie richtig ausgeführt wird. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, die Partikel einige Stunden in Lösungen unterschiedlicher Dichte ruhen zu lassen. Es ist auch wichtig sicherzustellen, dass die Kameras während der gesamten Dauer des Experiments richtig ausgerichtet, fixiert und synchronisiert sind.

Nach diesem Verfahren können andere Methoden wie die Verfolgung von Tracer-Partikeln verwendet werden, um zu messen, wie 3D-gedruckte Partikel auf den vollen Geschwindigkeitsgradienten-Tenser in der umgebenden Strömung reagieren. Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie anisotrope Partikel verwenden können, um Informationen über den Geschwindigkeitsgradiententenser aus turbulenten Strömungen mithilfe von vier stereoskopischen Videobildern zu extrahieren. Vergessen Sie nicht, dass die Arbeit mit Rhodamin-B-Farbstoff und Natriumhydroxid gefährlich sein kann und bei der Durchführung dieses Verfahrens immer Vorsichtsmaßnahmen wie Handschuhe und Schutzbrille getroffen werden sollten.