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

Ziel dieses Experiments ist es, ein Particle Tracking Velocimetrie-System für Turbulenzanwendungen aufzubauen und zu optimieren und es zur Untersuchung von Jet-Strömungen zu nutzen. Diese Methode kann helfen, Schlüsselfragen im Turbulenzfeld mit Hilfe der Lagrangeschen Beschreibung der Strömung zu beantworten. Der Hauptvorteil dieser Technik ist ihre Fähigkeit, eine große Anzahl von Teilchen in Zeit und Raum zu verfolgen.

Obwohl diese Methode Einblicke in eine Turbulenz und einen Lagrangeschen Bezugsrahmen geben kann, kann sie auf andere Anwendungen wie Motion Capture oder Motion Tracking angewendet werden. Der Aufbau für dieses Experiment dient der Untersuchung des mittleren Strömungsfeldes eines Rohrstrahls. In diesem mit Wasser gefüllten Tank befindet sich eine Rinne, um einen Strahl mit einem Durchmesser von einem Zentimeter zu erzeugen.

Dieses Schema gibt einen Überblick über den Aufbau vor der Hinzufügung von Geräten für die dreidimensionale Partikelverfolgungsgeschwindigkeit. Um sich auf die Partikelverfolgung vorzubereiten, identifizieren Sie einen Untersuchungsbereich, das Abfragevolumen. In diesem Experiment handelt es sich um einen Würfel, dessen Flächen parallel zu denen des größeren Volumens sind und dessen nächster Punkt 15 Zentimeter vom Ende der Rinne entfernt ist.

Sobald das Abfragevolumen ausgewählt ist, beginnen Sie mit der Positionierung des Hauptspiegels. Der Spiegel ist pyramidenförmig und an einem vertikalen Montagepfosten an der Seite des Experimentierbehälters montiert. Schieben Sie den Spiegel entlang des Pfostens, um ihn mit der Mitte des Verhörvolumens auszurichten, und befestigen Sie ihn dann.

Montieren Sie als Nächstes die Kamera hinter dem Hauptspiegel. Legen Sie fest, dass die Mitte des Kamerabilds mit der Mitte des Hauptspiegels lagegleich ist. Gehen Sie nun zum Computer, um die Verbindung mit der Kamera zu überprüfen.

Fahren Sie fort, indem Sie die Schnittstelle zwischen der Kamera und der Aufnahmesoftware einrichten. Beginnen Sie mit der Kameraansicht des Hauptspiegels und seiner Umgebung. Verwenden Sie die Einstellung für den Interessenbereich der Software, um die Breite und Höhe der Kameraansicht so anzupassen, dass nur der Hauptspiegel abgedeckt wird.

Der nächste Schritt besteht darin, ein Kalibriertarget in den Tank zu platzieren, um die Fangspiegel einzurichten. Dieses Ziel ist so konzipiert, dass es das gesamte Verhörvolumen umfasst. Das Target hat Zielpunkte mit einem Durchmesser von einem Millimeter für die Kalibrierung.

Platzieren Sie zunächst eine höhenverstellbare Plattform in den Panzer, um das Ziel zu stützen. Positionieren Sie das Kalibrierungsziel auf der Plattform und richten Sie es so aus, dass es der Kamera zugewandt ist. Passen Sie die Höhe der Plattform so an, dass die Mitte des Kalibrierziels mit der Mitte des Kalibriervolumens übereinstimmt.

Fahren Sie fort, indem Sie den Splitter mit vier Ansichten vervollständigen. Passen Sie die Position des Hauptspiegels so an, dass er das gesamte Verhörvolumen erfasst. Die Fangspiegel werden an vertikalen Montagepfosten auf beiden Seiten des Hauptspiegels montiert.

Montieren Sie jeden Fangspiegel so, dass er ungefähr mit der Kameraansicht von der nächstgelegenen Seite des Hauptspiegels ausgerichtet ist. Befestigen Sie den Fangspiegel. Die endgültige Anordnung sollte in Bezug auf den Hauptspiegel geometrisch symmetrisch sein.

Verwenden Sie einen Laserpointer und richten Sie ihn wiederum auf einen Spiegel, um den Bildweg zu visualisieren. Nehmen Sie letzte Anpassungen am Fangspiegel vor, indem Sie den Strahlengang als Leitfaden verwenden, sodass die Ansicht das gesamte Kalibrierungsziel umfasst. Wiederholen Sie die Visualisierung des Bildpfads, und nehmen Sie Anpassungen für jeden der verbleibenden Sekundärspiegel vor.

Nachdem alle Spiegel justiert wurden, überwachen Sie die Unterbilder der Kameraansicht. Beobachten Sie am Computer die Kameraansicht der Bilder. Verschieben Sie am Ansichtssplitter einen der Sekundärspiegel, um die Überlappung des Unterbildes zu untersuchen.

Wenn sich nur eine Ansicht ändert, während sich der Spiegel bewegt, gibt es eine vernachlässigbare Überlappung. Wenn der Vier-Wege-Splitter angebracht ist, schalten Sie die Kamera aus und arbeiten Sie mit der Beleuchtung weiter. Platzieren Sie Lichtquellen von oben direkt auf das Abfragevolumen.

In diesem Experiment wird eine Lupe direkt unter den Lichtquellen platziert, um die Lichtintensität zu erhöhen. Schalten Sie die Lichtquellen ein und überprüfen Sie visuell, ob das Licht gleichmäßig über das gesamte Abfragevolumen verteilt ist. Beginnen Sie mit der Optimierung der Einrichtung, indem Sie wieder mit der Kamera arbeiten.

Stellen Sie den Objektivfokus so ein, dass die Reflexion durch den Hauptspiegel in allen vier Ansichten der Fangspiegel gleichmäßig fokussiert ist. Stellen Sie sicher, dass die Bilder vom Ansichtssplitter symmetrisch sind und das Abfragevolumen anzeigen. Fahren Sie fort, um die Blende anzupassen, um sowohl den nächstgelegenen als auch den am weitesten entfernten Punkt auf dem Kalibrierungsziel erfassen zu können.

Die Kamera erfasst nur Leuchtspurpartikel im Abfragevolumen. Wenden Sie sich an dieser Stelle an die Aufnahmesoftware. Stellen Sie die gewünschte Bildrate ein.

Für dieses Experiment werden 550 Hertz verwendet. Maximieren Sie dann die Lichtempfindlichkeit entsprechend der gewählten Bildrate. Bereiten Sie sich nun darauf vor, Kalibrierungsbilder des Kalibrierungsziels aufzunehmen.

Befestigen Sie eine LED-Taschenlampe direkt über dem Ziel an der Flasche, um sie zu beleuchten. Nehmen Sie mehrere Bilder des Ziels über den Splitter mit vier Ansichten für spätere Kalibrierungsschritte auf. Wenn Sie fertig sind, entfernen Sie das Kalibrierziel, seinen Stützfuß und die Leuchte, um mit der Einstellung der Beleuchtung zu beginnen.

Bereiten Sie eine kleine Menge Seeding-Partikel vor, um die Beleuchtung zu optimieren. Besorge dir ein kleines Becherglas mit Wasser und gib die Saatpartikel hinein. Warten Sie, bis die Partikel diffundiert sind.

Bei den Partikeln handelt es sich um 100 Mikrometer große, silberbeschichtete Keramikhohlkugeln. Gießen Sie die Mischung in den Tank, um die Beleuchtung und die Kameraeinstellungen zu optimieren. Fahren Sie fort, während die Raumbeleuchtung ausgeschaltet und die Lichtquellen eingeschaltet sind.

Überwachen Sie auf dem Computer die Live-Kameraansicht des Hauptspiegels, und überprüfen Sie die Beleuchtung in jeder Ansicht, indem Sie den Unterschied in der Partikeldichte zwischen den Ansichten beobachten. Die Geometrie in diesem Experiment bewirkt, dass die oberen beiden Spiegel weniger Licht erhalten. Bei der Einrichtung beheben Sie dies, indem Sie einen flachen Spiegel unter der Lichtquelle am Boden des Tanks hinzufügen.

Unter den Lichtquellen trägt dieser Zusatz dazu bei, die Variation in der Ansicht zu reduzieren. An der Kamera stellen Sie die Verstärkung und die Schwarzwerte jeweils im Bereich von etwa null bis 500 ein. Ziel ist es, die Lichtstreuung der Partikel besser einzufangen.

In dieser Sequenz werden drei Standbilder mit unterschiedlichen Verstärkungs- und Schwarzwerten verglichen. In diesem Experiment wurde eine Verstärkungseinstellung von 300 und eine Schwarzeinstellung von 500 verwendet. Schalten Sie die Lichtquellen aus und die Raumbeleuchtung ein.

Am Computer offene Software für die Partikelverfolgungsgeschwindigkeit. Die Idee ist, eines der zuvor aufgenommenen Kalibrierungsbilder zu laden. Verwenden Sie die Software, um dieses Bild in vier unabhängige Unterbilder zu unterteilen, die den verschiedenen Fangspiegelansichten entsprechen.

Speichern Sie jedes dieser Unterbilder in einer anderen Datei. Jedes Bild wird so verwendet, als käme es von einer separaten Kamera. Fahren Sie mit den Kalibrierungsschritten unter Verwendung von Koordinatendaten und Schritten für mehrere Kameras fort.

Bereiten Sie sich auf die Datenerfassung vor, indem Sie die Velocimetry-Lichtquellen einschalten. Holen Sie sich als Nächstes die Säpartikel und geben Sie sie in den Tank. Warten Sie, bis sich ein stationärer Fluss im System entwickelt.

Überwachen Sie bei ausgeschalteter Raumbeleuchtung die Kameraansicht, um die korrekte Partikelaussaatdichte zu überprüfen, wie in diesem verlangsamten Video der Jet-Strömung. Wenn Sie zufrieden sind, nehmen Sie die gewünschte Anzahl von Flow-Bildern auf. Nachdem die Daten gesammelt wurden, beginnen Sie mit der Datenverarbeitung, indem Sie die gesammelten Bilder in vier Unterbilder aufteilen und speichern.

Nachdem dies erledigt ist, erscheint der geöffnete PTV-Bildschirm mit Menüoptionen am oberen Rand und einer Anzeige für verschiedene Kameraansichten auf der rechten Seite. Wechseln Sie zur Registerkarte "Start" in den Menüpunkten und klicken Sie, um die Optionen anzuzeigen. Klicken Sie auf Bildneustart, um die vier Kameraansichten des ersten Rohbildes in die Daten zu laden.

Bewegen Sie den Mauszeiger in das Ausführungsverzeichnis und klicken Sie darauf. Klicken Sie dort auf Hauptparameter. Gehen Sie im neuen Fenster zur Registerkarte Allgemein.

Geben Sie die Anzahl der Kameras ein, in diesem Fall vier. Fahren Sie mit der Eingabe von Parametern auf den anderen Registerkarten fort. Wenn Sie fertig sind, bewegen Sie die Maus, um auf den Menüpunkt Vorverarbeitung zu klicken.

Klicken Sie dort auf den Hochpassfilter. Das Ergebnis ist eine Intensivierung der Lichtstreuung in den vier Bildern. Suchen Sie auch unter dem Menüpunkt Vorprozess nach Partikelerkennung und klicken Sie darauf, um den Schwerpunkt jedes erkannten Partikels zu bestimmen.

Klicken Sie dann erneut unter dem Menüpunkt Vorverarbeitung auf Korrespondenzen, um stereoskopische Korrespondenzen herzustellen. Wechseln Sie anschließend zum Menüpunkt 3D-Positionen. Wählen Sie darunter 3D-Positionen, um die dreidimensionale Position der detektierten Partikel basierend auf der Kalibrierung zu bestimmen.

Unter dem Menüpunkt Sequenz suchen und klicken Sie auf Sequenz ohne Anzeige, um die Vorverarbeitungsschritte für alle gesammelten Bildsequenzen zu wiederholen. Geben Sie nun die Parameter ein, die zur Identifizierung von Partikeln für die Verfolgung verwendet werden sollen. Fahren Sie fort, indem Sie den Menüpunkt Tracking auswählen.

Wählen Sie dort die Laufweite ohne Anzeige, um benachbarte Frames zu korrelieren. Und wählen Sie erkannte Partikel aus, um rekonstruierte 3D-Partikel zu visualisieren. Wenn die Sendungsverfolgung abgeschlossen ist, gehen Sie zum Menüpunkt Sendungsverfolgung und wählen Sie ihn aus.

Klicken Sie auf Trajektorien anzeigen, um die Trajektorien in den einzelnen Kameraansichten zu visualisieren. In jeder der Kameraansichten sind nun die Partikeltrajektorien abgebildet. Zusätzlich wurde eine Datendatei für die Nachbearbeitung erstellt.

Dies ist eine Probe von drei repräsentativen Teilchentrajektorien im Zwischenfeldbereich um die Ebene bei dem 16-fachen des Rohrstrahldurchmessers. Wenn die Entfernung vom Jet-Kern gering ist, werden längere Trajektorien in dem Zeitintervall von einer Sekunde dieser Daten beobachtet. Mit zunehmender Entfernung vom Düsenkern nimmt die Bahnlänge ab.

Bei dem dreifachen Durchmesser des Rohrstrahls weisen die Tracerpartikel kurze und komplexe Trajektorien auf. Hier sind alle erfolgreich rekonstruierten Teilchenbahnen, die dieselbe Ebene kreuzen. Die Verteilung der Geschwindigkeiten reicht von null bis 60 % der Austrittsgeschwindigkeit des Strahls.

Niedrige Geschwindigkeiten liegen im blauen Bereich des Spektrums und hohe Geschwindigkeiten im roten Bereich. Die Analyse zeigt, dass Partikel in der Nähe des Jet-Kerns glattere Flugbahnen aufweisen. Die Partikelverfolgung ermöglicht die Berechnung der Krümmung entlang der Partikelbahn.

Dies ist ein Diagramm der mittleren Krümmung multipliziert mit dem Rohrstrahldurchmesser im Vergleich zum skalierten radialen Abstand für zwei Ebenen. Einer bei 16 und der andere bei 17 Rohrstrahldurchmessern. Beide nehmen monoton zu, aber die Ebene, die weiter vom Rohrauslass entfernt ist, hat eine reduzierte mittlere Krümmung außerhalb des Düsenkerns.

Dieses Diagramm liefert Informationen über die mittlere strömungsweise Geschwindigkeitsverteilung der Düsen in den 16 Rohrstrahldurchmessern des Flugzeugs jenseits des Rohrauslasses. Einmal gemeistert, kann diese Technik in sechs Stunden durchgeführt werden, wenn sie ordnungsgemäß ausgeführt wird, ohne die Bearbeitungszeit mit der Software. Bei diesem Verfahren ist es wichtig, an eine gleichmäßige Beleuchtung, die richtigen Kameraeinstellungen und eine ausreichende Menge an Seeding-Partikeln zu denken.

Nachdem Sie sich dieses Video angesehen haben, sollten Sie ein gutes Verständnis dafür haben, wie Sie den Ansichtssplitter einrichten, die Lichtquelle zusammenbauen, die Kameraparameter steuern und das PTV-System optimieren. Nach ihrer Entwicklung ebnete diese Technik den Weg für Forscher auf dem Gebiet der Turbulenz, experimentelle Studien zur Lagrange-Strömungsdynamik zu erforschen.