Gleichzeitige Messung von Turbulenzen und Partikel-Kinematik mit bildgebenden Verfahren

Zahlreiche Bereiche der Technik und der Naturwissenschaften sind mit Problemen im Zusammenhang mit der Wechselwirkung von Fluidpartikeln verbunden. Diese Methode ermöglicht eine relativ kostengünstige, nicht-intrusive simultane optische Messung sowohl der Partikelbahnen als auch der Strömungsgeschwindigkeiten. Hier messen wir die Setzgeschwindigkeiten von Sedimentpartikeln in einem turbulenten Fluss, ermöglichen eine detaillierte Charakterisierung der Teilchenbahnen und messen gleichzeitig turbulente Geschwindigkeiten an der gleichen Stelle.

Um die Partikelbild-Velocimetrie-Einrichtung zu beginnen, fixieren Sie einen Dual-Head-Pulslaser mit hoher Intensität horizontal auf einer optischen Platte, in Übereinstimmung mit der Durchflusseinrichtung. Platzieren Sie eine zylindrische Linse in der Linie mit dem Laser, um eine 2D-Lichtebene zu erzeugen, die sich unterhalb des oszillierenden Rasters befindet. Montieren Sie dann eine kugelförmige Linse nach der zylindrischen Linse in einem Abstand, der eine 5 bis 1 Millimeter dicke Lichtplatte erzeugt.

Als nächstes platzieren Sie eine DoppelbelichtungCCD-Kamera senkrecht zum Lichtblatt, um Bilder für PIV aufzuzeichnen. Befestigen Sie ein Objektiv an der Kamera, schalten Sie es ein, und stellen Sie es in den freien und kontinuierlichen Modus ein. Konzentrieren Sie die PIV-Kamera grob auf die turbulente Strömungsanlage.

Passen Sie die Blende und die Kameraposition an, bis das Bild kleiner oder nahe an den gewünschten Lichtblattgrenzen ist. Schalten Sie dann die Kamera aus und schalten Sie den Laser mit geringer Intensität ein. Bestätigen Sie, dass das Lichtblatt senkrecht zum Boden liegt, und platzieren Sie dann ein Kalibrierziel, das mit einem Raster genau in der Mitte des Lichtbogens markiert ist.

Es ist wichtig sicherzustellen, dass die PIV-Kamera senkrecht zum Lichtbogen ist und dass das Lichtblatt senkrecht zum Boden oder zum Boden der Anlage ist. Fehlausrichtung führt zu falschen Geschwindigkeitsprojektionen und damit zu Flüssigkeitsgeschwindigkeitsfehlern. Schalten Sie den Laser aus und schalten Sie die Kamera wieder ein.

Konzentrieren Sie die Kamera auf das Kalibrierziel und erfassen Sie ein einzelnes Bild. Öffnen Sie das Bild in der Bildverarbeitungssoftware, und bestätigen Sie, dass der Zeilen-, Höhen- und Spaltenabstand im gesamten Ziel konsistent ist. Die Eckenmarkierungsgrößen sollten sich um nicht mehr als ein Pixel unterscheiden und idealerweise identisch sein.

Wenn das Bild diese Kriterien erfüllt, entfernen Sie das Kalibrierungsziel. Installieren Sie das Raster, und führen Sie die Einrichtung aus. Dann führen Sie etwa einen Esslöffel voller PIV Tracer Partikel in die Flüssigkeit.

Warten Sie, bis die Tracer und Flüssigkeit gut gemischt sind, bevor Sie fortfahren. Schalten Sie dann den Laser ein und stellen Sie ihn auf externe Steuerung und hohe Leistung ein. Schalten Sie die Raumbeleuchtung aus, und erfassen Sie ein Bildpaar, um die Tracerdichte auszuwerten.

Nach und nach erhöhen Sie die Tracer-Konzentration durch Teelöffel-Vollauflinien auf die gewünschte visuelle Dichte. Legen Sie dann die PIV-Kamerabildrate auf den höchstmöglichen Wert fest und legen Sie die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden PIV-Bildern fest. Vergewissern Sie sich, dass der Laser entsprechend konfiguriert ist.

Schalten Sie dann die Lichter aus und sammeln Sie Daten im freien Modus für ein paar Sekunden. Kreuz korrelieren die Bildpaare und bestätigen, dass die erfassten Daten von guter Qualität sind. Stoppen Sie die Gitterschwingung, wenn Sie fertig sind.

Um mit der Einrichtung der 2D-Partikelverfolgung zu beginnen, platzieren Sie eine monochromatische LED-Leitungsleuchte unter der Schwingungsgitter-Anlage, damit die Lichtplatte innerhalb der LED-Linie zentriert wird. Schalten Sie das LED-Leitungslicht und den Laser bei geringer Leistung ein. Bestätigen Sie, dass das Lichtblatt und die Linienleuchte gut ausgerichtet sind, und schalten Sie sie dann aus.

Als nächstes befestigen Sie ein Objektiv an einer CMOS-Hochgeschwindigkeitskamera, die für die Partikelverfolgung verwendet werden soll. Schalten Sie die Kamera im freien Kontinuierlichen- oder Live-Modus ein und konzentrieren Sie sie grob auf den Interessenbereich. Passen Sie die Blendenhöhe und -entfernung der Partikelverfolgungskamera an, bis der Interessenbereich mit ihrem Sichtfeld ist und die Kamera eben und senkrecht zum Linienlicht ist.

Schalten Sie die Kamera aus. Schalten Sie das Linienlicht ein und platzieren Sie das Kalibrierziel in der Mitte des Linienlichts. Schalten Sie dann das Linienlicht aus, schalten Sie die Kamera ein und fokussieren Sie sie auf das Ziel.

Erfassen Sie ein Bild des Kalibrierziels und bestätigen Sie, dass die Partikelverfolgungskamera eben, senkrecht zum Ziel und im Fokus ohne Bildverzerrung an den Rändern ist. Entfernen Sie anschließend das Kalibrierziel. Legen Sie dann die Anzahl der zu sammelnden Hochgeschwindigkeitsbilder fest.

Legen Sie basierend auf der erwarteten Partikelgeschwindigkeit die Bildrate und Auflösung auf Werte fest, die eine Partikelverschiebung von drei bis zehn Pixeln zwischen den Bildern erreichen sollen. Installieren Sie das Raster, schalten Sie das LED-Leitungslicht ein, und verdunkeln Sie den Raum. Starten Sie die Gitterschwingung und führen Sie einen kleinen Teil der Partikel von Interesse in den Fluss ein.

Wenn die Partikel auf der Hochgeschwindigkeitskamera erscheinen, erfassen Sie einige Frames. Es ist wichtig, dass die Partikelspuren in den Bildern deutlich sichtbar sind, was darauf hinweist, dass die Partikel in der Ebene verbleiben und sich nicht häufig überlappen. Wenn diese Kriterien nicht erfüllt werden, kann man die Partikel nicht genau verfolgen.

Vergewissern Sie sich, dass es keine sichtbaren Eingangseffekte gibt, partikelüberlappen ist selten, und Partikelbewegung befindet sich in erster Linie in der Ebene. Stoppen Sie die Schwingung, wenn Sie fertig sind. Um die endgültige Kalibrierung zu beginnen, platzieren Sie mit gedimmten Lichtern das Kalibrierziel in die LED- und Laserlichtblätter.

Schalten Sie den Laser und die LED aus und schalten Sie die Raumbeleuchtung ein. Stellen Sie sicher, dass das Kalibrierziel innerhalb der Kamera-FOVs im Fokus ist und eine eindeutige Markierung für beide Kameras sichtbar ist. Erfassen Sie ein Bild des Kalibrierziels auf beiden Kameras.

Beachten Sie die relevanten Platzierungen der eindeutigen Markierung, und bestätigen Sie, dass die Kameras immer noch eben sind und keine Verzerrung um die Kanten zeigen. Entfernen Sie dann das Kalibrierziel, installieren Sie das Raster, und starten Sie die Schwingung. Lassen Sie es für mindestens 20 Minuten laufen, damit der Fluss einen stabilen Zustand erreicht.

Dann verdunkeln Sie den Raum, schalten Sie die LED-Leitung Licht, und führen Sie die Partikel in den Fluss. Starten Sie gleichzeitig die Laserpulse und die Bildaufnahme für beide Systeme, wenn Partikel in der Partikelverfolgungskamera FOV erscheinen. Wenn die Datenerfassung abgeschlossen ist, speichern Sie die Bilder und stoppen Sie die Gitterschwingung.

Analysieren Sie die Strömungsgeschwindigkeitsverteilung und die Partikelbahnen. Die PIV-Bilder können zu sofortigen Flüssigkeitsgeschwindigkeiten und Wirbelverteilungen verarbeitet werden. Hier wird die Fluidgeschwindigkeitsvektorverteilung auf einer Wirbelfarbkarte überlagert.

Mit diesem Setup sollte die Größe des räumlichen Mittelwerts der wurzelmittleren quadrierten Strömungsgeschwindigkeitsschwankung über das PIV-Sichtfeld mit der Schwingungsfrequenz sowohl für horizontale als auch vertikale Geschwindigkeitskomponenten zunehmen. Partikelbahnen und Geschwindigkeiten können aus den Hochgeschwindigkeits-Partikelverfolgungsbildern bestimmt werden. Die Verteilung der Teilchengeschwindigkeiten sollte grob gaussisch sein.

Hier zeigten größere unregelmäßig formende Partikel in der Regel Partikelgeschwindigkeitsverteilungen mit größeren Standardabweichungen als die der kleineren, kugelförmigen Teilchen. Obwohl beide Gruppen von Teilchen Verteilungen mit größeren mittleren vertikalen Geschwindigkeiten und größeren Standardabweichungen zeigten, als die Netzschwingungsrate zunahm. Die stagnierenden Strömungsabsetzgeschwindigkeiten von synthetischen Teilchen, Industriesand und lokal gesammeltem Sand, der aus ihren Teilchenbahnen bestimmt wurde, stimmten alle grob mit den Dietrich-Kurven überein.

Die Tendenz von Teilchen, die Geschwindigkeiten mit der Netzschwingungsfrequenz ansteigen lassen, wurde in der nachfolgenden Analyse weiter untersucht. Die gleichzeitige optische Messung sowohl der Partikelkinetik als auch der Fluiddynamik, insbesondere der Turbulenzen, ist aufgrund des Störpotenzials zwischen den beiden bildgebenden Verfahren, die zu Messungenauigkeiten führen, eine Herausforderung. Ströme, die stark dreidimensional sind, eignen sich nicht gut für diese Technik, da bewegungen aus ebenen Gründen sowohl bei der 2D-Tracking- als auch in der Partikel-Velocimetrie-Analyse Fehler verursachen.

Die Konzentration von verfolgten Teilchen muss relativ gering sein, um die Sicherheit zu maximieren, dass dasselbe Teilchen in aufeinander folgenden Bildern nachverfolgt wird. Außerdem müssen PIV-Tracer und die verfolgten Partikel in ihrer Größe ausreichend unterschiedlich sein, um sie zu unterscheiden. Die Integration der Strömungsgeschwindigkeitsinformationen mit der Partikelbahn hängt davon ab, was untersucht wird.

Diese Methode kann z. B. auch die Strömungsgeschwindigkeiten in bestimmten Instanzen in der Zeit entlang der Flugbahn des Partikels untersuchen. Diese Technik wurde mit Sedimenttransport demonstriert, einer Anwendung für Bewegungswissenschaften, aber sie ist in vielen Anwendungen relevant, bei denen der Flüssigkeitsfluss mit natürlichen oder vom Menschen hergestellten Partikeln interagiert.