Utilizamos la impresión 3D para fabricar partículas anisotrópicas en forma de jacks, cruces, tétradas y tríadas, cuyas alineaciones y rotaciones en el flujo de fluido turbulento se pueden medir a partir de múltiples imágenes de video simultáneas.
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Artículo de método
Los métodos para medir la orientación y rotación Tasa de partículas en la turbulencia impresa en 3D
En este artículo
Resumen
Resumen
Los métodos experimentales se presentan para medir el movimiento de rotación y de traslación de partículas anisotrópicas en flujos de fluido turbulentos. tecnología de impresión 3D se utiliza para la fabricación de partículas con brazos delgados conectados a un centro común. Formas exploradas son cruces (dos barras perpendiculares), gatos (tres varillas perpendiculares), tríadas (tres barras en simetría plana triangular), y tétradas (cuatro brazos en la simetría tetraédrica). Se describen métodos para la producción del orden de 10.000 partículas por fluorescencia teñidos. Mediciones con resolución temporal de su orientación y la velocidad de rotación de cuerpo sólido se obtienen a partir de cuatro vídeos sincronizados de su movimiento en un flujo turbulento entre las rejillas oscilantes con R λ = 91. En este flujo del número relativamente bajo de Reynolds, las partículas son lo suficientemente pequeñas advectada que se aproximan las partículas trazadoras elipsoidales. Se presentan los resultados de las trayectorias 3D con resolución temporal de la posición y la orientación de las partículasasí como mediciones de sus velocidades de rotación.
Introducción
En una publicación reciente, se introdujo el uso de partículas hechas de múltiples brazos delgados para medir el movimiento de rotación de las partículas en la turbulencia 1. Estas partículas se pueden fabricar utilizando impresoras 3D, y es posible medir con precisión su posición, la orientación y la velocidad de rotación el uso de múltiples cámaras. El uso de herramientas de la teoría de cuerpo delgado, se puede demostrar que estas partículas han elipsoides eficaces 2 correspondiente, y los movimientos de rotación de estas partículas son idénticas a las de sus respectivos elipsoides eficaces. Las partículas con brazos simétricos de igual longitud giran como esferas. Una de tales partículas es un gato, que tiene tres brazos perpendiculares entre sí unidos en su centro. Ajuste de las longitudes relativas de los brazos de un conector puede formar una partícula equivalente a cualquier elipsoide tri-axial. Si la longitud de un brazo se fija igual a cero, esto crea una cruz, cuyo elipsoide equivalente es un disco. Las partículas hechas de delgadasbrazos ocupan una pequeña fracción del volumen sólido de sus homólogos elipsoidales sólidos. Como resultado, se sedimentan más lentamente, lo que facilita su partido densidad. Esto permite que el estudio de las partículas mucho más grandes que es conveniente con partículas sólidas elipsoidales. Además, las imágenes se puede realizar a concentraciones de partículas mucho más altos debido a que las partículas bloquean una fracción más pequeña de la luz de otras partículas.
En este trabajo, se documentan los métodos para la fabricación y el rastreo de partículas 3D-impreso. Herramientas para el seguimiento de el movimiento de traslación de partículas esféricas a partir de las posiciones de partículas, como se ve por varias cámaras han sido desarrolladas por varios grupos 3,4. Parsa et al. 5 extendió este enfoque para realizar un seguimiento de barras utilizando la posición y orientación de las varillas vistos por varias cámaras. A continuación, presentamos los métodos para la fabricación de partículas de una amplia variedad de formas y la reconstrucción de sus orientaciones 3D. Esto ofrece THe posibilidad de ampliar seguimiento 3D de partículas con formas complejas a una amplia gama de nuevas aplicaciones.
Esta técnica tiene un gran potencial para un mayor desarrollo debido a la amplia gama de formas de partícula que puede ser diseñado. Muchas de estas formas tienen una aplicación directa en los flujos ambientales, donde el plancton, las semillas y los cristales de hielo vienen en una gran variedad de formas. Las conexiones entre las rotaciones de partículas y propiedades fundamentales a pequeña escala de los flujos turbulentos 6 sugieren que el estudio de las rotaciones de estas partículas proporciona nuevas formas de ver el proceso en cascada turbulenta.
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Protocolo
1. La fabricación de partículas
- Utilice un programa de diseño asistido por ordenador en 3D para crear modelos de partículas. Exportar un archivo por cada modelo en un formato de archivo que puede ser procesado por la impresora 3D utilizado.
- Utilice el comando Círculo para dibujar un círculo con un diámetro de 0,3 mm. Utilice la función de extrusión para hacer un cilindro con una longitud de 3 mm.
- Hacer una cruz con dos cilindros ortogonales con un centro común; hacer que un gato con tres cilindros ortogonales entre sí, con un centro común; hacer una tétrada con cuatro cilindros compartir un fin común a 109,5 ° ángulos entre sí; hacer una tríada con tres cilindros en un plano compartir un fin común en ángulos de 120º entre sí.
- Para inclinar cilindros (en lo sucesivo denominado "brazos" de las partículas) con respecto a la otra, utilice el comando Girar 3D para dibujar una línea a través del diámetro del círculo en uno de sus extremos y luego introducir el ángulo de giro deseado.
- Utilice el comando Unión para joen los diferentes brazos juntos en un único objeto a prueba de agua.
- Utilice Girar 3D de nuevo para inclinar el objeto de modo que no hay brazos están a lo largo de los ejes verticales u horizontales, porque las armas que se encuentran a lo largo de estos ejes tienden a tener defectos, rompa más fácilmente, o aplanarse.
- Exportar cada objeto en un archivo separado en un formato que puede ser utilizado por las impresoras 3D.
- Ordenar aproximadamente 10.000 partículas de cada tipo de una fuente comercial que se especializa en la fabricación aditiva o imprimirlos en una instalación disponible. Las partículas deben ser impresos en una impresora de extrusión de polímero que utiliza una matriz de soporte de un material diferente que se puede disolver de distancia.
- Ordenar las partículas de tres semanas o más antes de que se planifican experimentos debido a la disposición y la impresión de tantas partículas es un proceso lento. Asegúrese de que las partículas se imprimen en "modo de alta resolución", porque las partículas están cerca del tamaño de la característica mínima de muchas impresoras 3D y unarms no será tan simétrica y pueden romperse si se imprime con una resolución más baja.
2. Preparación de partículas
- Preparar una solución de sal en el que las partículas son flotabilidad neutra para reducir al mínimo los brazos partículas 'de flexión durante el almacenamiento y para que las fuerzas gravitatorias y de flotabilidad no tienen que tenerse en cuenta en el análisis.
- Prueba de densidades de partícula medios por inmersión de las partículas en soluciones de agua mezclada con cloruro de calcio (CaCl 2) a densidades de alrededor de 1,20 g / cm 3.
- Para determinar la densidad del agua, primer cero una escala mientras que un matraz aforado de 100 ml es vacíos en la parte superior de la misma. Tome el frasco fuera y llenarlo con agua mezclada con CaCl2. Colocar el matraz de nuevo la cima de la escala y dividir la masa dada por 100 ml.
Nota: Puesto que 1 ml = 1 cm 3, 1 g / ml = 1 g / cm 3. - partículas de prueba en muchos diferentes densidades de soluciones, que van desde 1,16 g / cm3-1,25 g / cm 3, en aproximadamente 0,01 g / cm 3 incrementos. Probar múltiples partículas en cada densidad porque no todas las partículas tienen la misma densidad: en la misma solución, algunos se hundirá, algunos serán flotabilidad neutra, y algunos flotar.
- Para determinar la densidad del agua, primer cero una escala mientras que un matraz aforado de 100 ml es vacíos en la parte superior de la misma. Tome el frasco fuera y llenarlo con agua mezclada con CaCl2. Colocar el matraz de nuevo la cima de la escala y dividir la masa dada por 100 ml.
- Registro en el que las partículas de densidad son, en promedio, una flotabilidad neutral después de varias horas.
Nota: La densidad encontrado puede ser significativamente diferente de la densidad aparente citado por los fabricantes de partículas. - Mezclar aproximadamente 400 kg de CaCl 2 en aproximadamente 1600 L de agua hasta que la solución se encuentra en la densidad registrados en 2.1.1 - 2.1.2.
- Retire sobre 1 L de esta solución mixta según el tipo de partícula (jacks, tétradas, etc.) para ser utilizado para el almacenamiento de las partículas. Mantenga cada litro en un recipiente diferente a temperatura ambiente. Almacenar el resto de la solución a temperatura ambiente en un tanque de almacenamiento grande.
- Prueba de densidades de partícula medios por inmersión de las partículas en soluciones de agua mezclada con cloruro de calcio (CaCl 2) a densidades de alrededor de 1,20 g / cm 3.
Figura 1. Un jack en diversas etapas de eliminación de la resina. A) Los bloques de resina de soporte que las partículas llegan a. B) Un solo bloque separado del resto. Ce) múltiples etapas de eliminación de la resina hecho a mano. F) Un único Jack después que la coloración de baño NaOH y rodamina-B. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Aflojar manualmente el material de soporte en el que las partículas vienen encerradas por romper suavemente las piezas de gran tamaño (~ 5 mm x 320 mm, parte del cual se muestra en la Figura 1a) en pequeñas secciones (~ 5 mm x 5 mm, la Figura 1B), entonces masajear manualmente cada sección hasta que la mayor parte del exceso de resina ha salido (Figura 1c-e). Remove exceso de resina de esta manera para reducir la cantidad de la solución de NaOH que tendrá que ser creado para los pasos 2.2.1 - 2.2.4.
- Coloque el bloque de resina que queda en un 10% en solución de hidróxido de sodio de masas (NaOH) sumergido en un baño de ultrasonidos durante una hora. La resina es un material diferente al de las partículas son, por lo que el NaOH se eliminará la resina sin afectar de forma permanente las partículas.
CUIDADO: La solución es corrosivo y se pondrá en caliente en el baño ultrasónico. - Filtrar partículas.
- Para filtrar partículas, crear un embudo mediante compensación con 0,1016 cm x 0.13462 cm agujeros de plástico. Mantenga el embudo sobre el recipiente que se utiliza para la eliminación de la solución de NaOH y verter lentamente la solución a través. Disponer de una solución de NaOH de acuerdo con las directrices de salud y seguridad ambiental.
- partículas de enjuague suavemente con agua antes de sumergirlo en una nueva solución al 10% de NaOH en masa en un baño de ultrasonidos durante otra media hora.
- Filtrar partículas como en 2.2.2.1 y almacenar en la solución de densidad con ajuste separado en 2.1.4 antes de que se endurezcan. Manejar las partículas con cuidado porque la solución de NaOH las ablanda temporalmente.
Nota: Si las partículas no se almacenan en una solución de densidad de concordancia, algunos brazos pueden doblar. Mantener ellos sumergidos en la solución de densidad de concordancia por varias horas también permite que algunos huecos en el plástico para llenar con fluido.
- Coloque el bloque de resina que queda en un 10% en solución de hidróxido de sodio de masas (NaOH) sumergido en un baño de ultrasonidos durante una hora. La resina es un material diferente al de las partículas son, por lo que el NaOH se eliminará la resina sin afectar de forma permanente las partículas.
- partículas de colorante con rodamina-B mezclan con agua para que fluorescen bajo la luz emitida por un láser verde.
- Preparar una solución de 1 L de colorante rodamina-B en agua a una concentración de 0,5 g / L (en lo después como "colorante").
PRECAUCIÓN: Tóxico. - Calentar el tinte a una temperatura entre 50 y 80 ° C, dependiendo del material de partículas. Utilizar temperaturas más elevadas para plásticos más duros; usando demasiado alto de una temperatura dará lugar a los brazos de flexión.
- Ponga ~ 2.500 partículas, suficiente para llenar vagamente ~ 25 ml in la solución de almacenamiento densidad de concordancia, en el tinte y mantener todo a 80 ° C durante dos o tres horas para permitir que el tinte se absorba en el polímero. Eliminar las partículas una vez que son de color rosa, como el de la figura 1f.
CUIDADO: El calor ablanda las partículas temporalmente. - Filtrar partículas y enjuague antes de su almacenamiento en las soluciones separadas designadas en 2.1.4. Las partículas perderán una pequeña fracción de su tinte, por lo que la solución de color rosa, pero enjuague bajo el grifo ayuda a prevenir la pérdida de una cantidad perjudicial de tinte.
Nota: La densidad promedio de partícula habrá cambiado debido al teñido, así que prueba una vez más como en 2.1.1-2.1.2 para encontrar la densidad de la solución nueva a la que las partículas son, en promedio, flotabilidad neutra.
- Preparar una solución de 1 L de colorante rodamina-B en agua a una concentración de 0,5 g / L (en lo después como "colorante").
- Cambie solución a granel CaCl2 (desde 2.1.3) Densidad según sea necesario. Repita 2.1.4 y quitar nuevos volúmenes de solución de densidad compatible. Disponer de soluciones de almacenamiento antiguos, que ahora tendrá pequeñas cantidades de Rodamina B-dvosotros en ellas, de conformidad con las normas de salud y seguridad ambiental.
- Repita 2.3.2-2.3.4 para conjuntos sucesivos de ~ 2.500 partículas, el almacenamiento de todas las partículas de la misma forma en las mismas soluciones de densidad con ajuste creados en 2.4, separados de partículas de diferentes formas.
Nota: Después de unos 5 repeticiones de 2.3.2-2.3.4, la solución de rodamina-B ya no será una concentración lo suficientemente alta como para teñir eficazmente partículas. - Disponer de la solución creada en el apartado 2.3.1, de acuerdo con las regulaciones de salud y seguridad ambiental, a continuación, repita 2.3.1 y crear una nueva solución de 0,5 g / L con la que teñir partículas.
- Repetir cada 5 2,6 repeticiones de 2.3.2-2.3.4.
3. Experimental y configuración óptica
Figura 2. Montaje experimental. En el flujo octogonal entre rejillas oscilantes, un volumen central de visión en el foco delas cuatro cámaras de vídeo está iluminado por un láser de Nd verde:. YAG a) Vista lateral que muestra cómo las cuatro cámaras están dispuestas y conectadas a las computadoras. Figura del 13. B) vista superior que muestra láser, espejo, y la configuración de la lente para conseguir una iluminación uniforme en el volumen central. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.
- Preparar las cámaras.
- Utilizar cámaras capaces de al menos 1 megapíxeles de resolución a 450 fotogramas por segundo.
- Disponer las cámaras de tal manera que cada cámara está apuntando a, y está enfocada en el centro del volumen de visualización. Menos cámaras se pueden utilizar, sin embargo sombra de un brazo de una partícula por otro brazo limita la precisión de la medición de orientación, y que tiene menos cámaras hace experimentos más susceptibles a este efecto. El uso de más de cuatro cámaras del mismo modo podría aumentar measurem orientaciónent precisión, ya que reducirá el riesgo de brazos está remedando en todas las cámaras, que es la principal fuente de incertidumbre.
- Coloque las cámaras de gran tamaño (~ 90 °) ángulos entre cada par sujeta a las limitaciones del aparato. Colocar cámaras como se muestra en la Figura 2 para equilibrar el acceso experimental y el tamaño del ángulo entre las cámaras individuales. Minimizar las distorsiones ópticas mediante la construcción de puertos de visión en el aparato perpendicular a cada dirección de visión de la cámara.
- Utilice 200 mm objetivos macro en cada cámara para obtener el volumen de medida deseada en una distancia de trabajo de medio metro. El volumen visto por las cuatro cámaras determina el volumen de detección, que es aproximadamente 3 x 3 x 3 cm 3.
- Calibrar las cámaras para permitir la transformación de las posiciones de píxel medidos a las coordenadas en el espacio 3D.
- Establecer las aberturas de f / 11 y montar 532 nm filtros de muesca para eliminar la luz láser permitiendo al mismo tiempo a través de más largo wavelength fluorescencia en las cámaras
- Poner una máscara de calibración de la imagen en el tanque, llene el tanque con la solución a granel de 2,4, e iluminar la máscara.
- Ajustar las cámaras de manera que cada uno tiene la máscara a la vista y todos ellos están enfocados en el mismo punto de la máscara. alinear cuidadosamente las cámaras para optimizar la forma del volumen de detección.
- Tenga cuidado al cambiar lo menos posible acerca de la configuración óptica a partir de este punto en adelante.
- Adquirir y almacenar imágenes de la máscara de cada cámara.
- Escurrir la solución fuera del tanque y la bomba de vuelta donde había sido previamente almacenado.
- Extraer los parámetros que especifican la posición, la dirección de visión, ampliación, y las distorsiones ópticas de cada cámara de las imágenes de calibración. Para ello, la identificación de lugares en la máscara de calibración visible en las cuatro cámaras y la definición de la distancia entre estos puntos. Con esta información, utilizar métodos de calibración estándar para extraer pa relevanteparáme-.
Nota: El método de calibración básica se describe en Tsai, 1987 7 La aplicación utilizada en estos experimentos se describe en Oullette et al 3 Los investigadores que deseen desarrollar software de calibración de la cámara también se pueden considerar OpenPTV 4... - Crear un archivo de calibración final utilizando un proceso de calibración dinámica. Esto se hace después de que datos de partículas de trazador se ha adquirido. Use un no lineal de mínimos cuadrados de búsqueda para optimizar los parámetros de calibración de la cámara y obtener el desfase más pequeño entre las posiciones de las partículas visto en múltiples cámaras. Estos métodos se describen en la Ref. 8 y 9.
- Con un láser de Nd verde de conmutación de Q: YAG capaz de 50 potencia media W (en adelante denominado el "láser"), iluminar un cilindro en el centro del tanque con aproximadamente un diámetro de la sección transversal de 3 cm, donde el flujo es homogénea. 8
Nota: La potencia del láser es specified a una frecuencia de pulso de 5 kHz. La frecuencia de impulsos en estos experimentos es de 900 Hz, donde la potencia de salida es significativamente menor.- Dividir la luz del láser utilizando un divisor de haz y el uso de espejos para guiar un haz en la parte frontal del tanque y la otra, ortogonal a la primera, en el lado del tanque.
- Colocar dos espejos adicionales fuera del tanque, enfrente de donde las vigas están entrando, con el fin de reflejar la luz de vuelta al tanque y crear una iluminación más uniforme, reduciendo drásticamente los efectos de sombra.
Nota: La escala de la longitud de los efectos de interferencia de los haces de lucha contra la propagación es demasiado pequeña para afectar significativamente estos experimentos.
4. Llevar a cabo los experimentos
- Prepare la grabación de vídeo de cada cámara.
- Programar un sistema de compresión de imágenes que elimina los datos de imágenes no deseadas en tiempo real. 10, 1 3
- Si la cámara nOT tiene una partícula a la vista, no guardar la imagen.
- Donde hay píxeles brillantes, guardar sólo la ubicación y el brillo de los píxeles brillantes en lugar de toda la imagen.
Nota: Debido a que cada partícula normalmente cubre aproximadamente 5.000 píxeles brillantes y rara vez hay más de una partícula en vista a la vez, el sistema de compresión de imágenes reduce drásticamente la cantidad de almacenamiento necesario para grabar con cámaras de alta velocidad para muchas horas.
- Preparar el software acquisitioning datos.
- Programar un sistema de compresión de imágenes que elimina los datos de imágenes no deseadas en tiempo real. 10, 1 3
- Preparar el flujo turbulento en un 1 x 1 x 1 m 3 tanque octogonal con dos rejillas de malla 8 cm paralelas oscilantes en fase. 8
- Bombear la solución de CaCl2 de 2,4 en una cámara de vacío y mantenerlo en la cámara durante la noche para desgasificar la solución, lo que reduce al mínimo las burbujas de aire en los experimentos.
- solución de la bomba de la cámara de vacío a través de un filtro de 0,2 micras en el tanque octogonal donde los experimentos wilrealizarse l.
- Ejecutar el experimento.
- Elija un tipo de partículas (partículas trazadoras, enchufes, cruces, tétradas, o tríadas) que se utilizarán para la primera ronda de experimentos y añadir todos los 10.000 de esas partículas en el agua a través de un puerto en la parte superior del aparato. Cerrar este puerto después de la adición de partículas.
- Encienda el láser.
- Set cámaras y láser para responder a un disparador externo y ajuste la frecuencia del disparador a 450 Hz para las cámaras y 900 Hz para el láser. Utilice el disparo externo para asegurar que todas las cámaras comienzan adquisición simultánea y permanecen sincronizados largo de la grabación
- Abra la apertura del láser.
- Establecer la cuadrícula con la frecuencia elegida (1 ó 3 Hz) y ponerlo en marcha corriendo. Antes de iniciar la adquisición de datos, ejecutar la red durante aproximadamente 1 minuto para permitir que la turbulencia se desarrolle completamente.
- Ficha 10 6 fotogramas con el fin de mantener el tamaño de archivo manejables y para mantener los errores que se puedan producir en la imagenLos sistemas de compresión de comprometer demasiados datos.
- Cierre la apertura del láser y detener el disparador de la cámara. Restablecer los sistemas de compresión de imágenes y las cámaras.
- Compruebe que los archivos de vídeo no están dañados mediante la visualización de porciones de cada archivo.
- Repita 4.4.1 - 4.4.6 hasta 10 7 imágenes han sido registrados en la frecuencia de la red elegido para la partícula elegido.
- Cambiar la frecuencia de la red a la que no escogida en 4.4.4 y 4.4.4 repetir - 4.4.7
- Vaciar el tanque y filtrado del agua para eliminar todas las partículas. Guardar las partículas en el agua de almacenamiento de 2,4 si se desea.
- Repita 04.04 a 04.06 para todos los tipos de partículas.
- Después de todos los experimentos se han terminado, calibrar las cámaras una vez más, como en 3.1.5-3.1.5.7.
Análisis 5. Datos
Nota: Esta sección del Protocolo presenta una visión general del proceso utilizado para obtener orientaciones de partículas y velocidades de rotación. El p específicarogramas utilizan, junto con imágenes de prueba y archivos de calibración, se incluye como un complemento a la presente publicación, y están abiertos a utilizar por cualquier lector interesado. (Vea el archivo "Use_Instructions.txt" en el archivo complementario "MATLAB_files.zip".)
- El uso de los parámetros de calibración de la cámara, obtener la posición y orientación en 3D a partir de imágenes de partículas en varias cámaras.
- En cada cuadro, encontrar el centro de la partícula en cada una de las cuatro imágenes. Todas las partículas en estos experimentos son lo suficientemente simétrica que el centro del objeto está en el centro geométrico de los píxeles brillantes en la imagen cuando se ve desde cualquier punto de vista.
- Encontrar la posición 3D de la partícula por stereomatching sus posiciones 2D simultáneas en las cuatro cámaras 3, 8.
- Crear un modelo numérico de la partícula que puede ser proyectada en cada cámara para modelar la intensidad de la imagen de esa cámara.
- Modelar el paArtículo como un compuesto de varillas. El uso de los parámetros de calibración de la cámara de 3.1.5.7 y 3.1.5.8, proyectar los dos puntos extremos de cada varilla sobre las cámaras y, a continuación un modelo de la distribución de intensidad de luz en dos dimensiones, con una función gaussiana través de la anchura de la varilla y un Fermi función -Dirac través de su longitud, según el protocolo de software.
- intensidad de la luz modelo en dos dimensiones de esta manera minimizar el coste computacional del análisis de datos. Proyección de un modelo tridimensional completo de la partícula fluorescente podría mejorar este planteamiento, pero sería mucho más computacionalmente intensivas.
- Haga clic en Ejecutar para iniciar el análisis.
- Elija una estimación inicial de la orientación de las partículas.
- Si el análisis de la primera trama en la que esta partícula es visible, la primera suposición puede ser un conjunto aleatorio de los ángulos de Euler.
- Si esta partícula era en al menos una trama anterior, utilizar la orientación encontrado usando la trama anterior comola estimación inicial.
- Realizar una no lineal de los mínimos cuadrados para determinar la orientación de las partículas.
- Optimizar la posición tres coordenadas 3D y los tres ángulos de Euler de tal manera que la diferencia al cuadrado entre la intensidad medida y la proyección 2D del modelo se reduce al mínimo en las cuatro cámaras de acuerdo con protocolo de software.
Nota: Existen varias convenciones para definir ángulos de Euler. Definir los ángulos, (φ, θ, Psi), como sigue: φ es una rotación inicial alrededor del eje z, la creación de nuevos ejes X 'e Y'; θ es una rotación alrededor de x ', la creación de nuevos ejes Z' e Y ''; ψ es una rotación alrededor del nuevo eje z '. 11
- Optimizar la posición tres coordenadas 3D y los tres ángulos de Euler de tal manera que la diferencia al cuadrado entre la intensidad medida y la proyección 2D del modelo se reduce al mínimo en las cuatro cámaras de acuerdo con protocolo de software.
- Elige la orientación que requiere la rotación más pequeño con respecto a la trama anterior. Para un gato, los ángulos de Euler encontraron dar una de las 24 orientaciones simétricas; Fo una tétrada es una de las 12 orientaciones simétricas; por una cruz, que es una de las 8 orientaciones simétricas; y para una tríada es uno de los 6 orientaciones simétricas.
Nota: El método en 5.1.6 se supone que la partícula no girará más de la mitad de uno de sus ángulos interiores entre los marcos. La justificación de esta hipótesis se da en la discusión.
- Guardar la posición y los ángulos de Euler como una función del tiempo.
- Utilice estos datos para extraer velocidad de rotación de cuerpo sólido y otras cantidades.
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Resultados
La figura 3a muestra una imagen de una tétrada de una de nuestras cámaras encima de un solar de los ángulos de Euler obtiene a partir de una sección de su trayectoria (Figura 3c). En la Figura 3b, los resultados del algoritmo de orientación de investigación, se describe en el Protocolo de 5-5,3, se superponen la imagen tétrada en. Los brazos de la tétrada en la Figura 3a no siguen las distribuciones de intensidad simples...
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Discusión
Las mediciones de la vorticidad y la rotación de las partículas en el flujo de fluido turbulento han sido reconocidos como los objetivos importantes de la mecánica de fluidos experimentales. La rotación de cuerpo sólido de pequeñas esferas de la turbulencia es igual a la mitad de la vorticidad del fluido, pero la simetría de rotación de esferas ha hecho la medición directa de su rotación de cuerpo sólido difícil. Tradicionalmente, la vorticidad del fluido se ha medido utilizando compleja, de múltiples sensores, sondas d...
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Divulgaciones
Los autores no tienen intereses en competencia de interés económico alguno.
Agradecimientos
Agradecemos a Susantha Wijesinghe que diseñó y construyó el sistema de compresión de imágenes que utilizamos. Reconocemos el apoyo de la subvención NSF DMR-1208990.
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Materiales
| Nombre | Empresa | Número de catálogo | Comentarios |
|---|---|---|---|
| Cóndor Nd:YAG 50 W láser | Quantronics | 532-30-M | |
| Cámara de alta velocidad | Basler | A504k | |
| Cámara de alta velocidad | Mikrotron | EoSens Mc1362 | |
| Rhodamina-B | ScienceLab.com SLR1465 | ||
| Hidróxido de Sodio | Macron | 7708 | Pellets. |
| Impresora 3D 500 Connex | Objet | Se utiliza para hacer partículas más pequeñas. Partículas encargadas de RP+M (prototipado rápido más fabricación). | |
| VeroClear | Stratasys | RGD810 | Objet. |
| Resina de fotopolímero Clear Form 1 | Lentes | ||
| cilíndricas y esféricas | |||
| cámara macro de 200 mm | , montura F. | ||
| Baño ultrasónico | Sonicator Cloruro | ||
| de calcio | Spectrum Chemical Mfg. Corp. | CAS 10043-52-2 | Perdigones. |
| Software de diseño de sistemas LabVIEW | National Instruments | Se utiliza para disparar cámaras, rejilla de control y disparar láser. | |
| XCAP Software | EPIX | Se utiliza con LabVIEW para disparar cámaras. | |
| MATLAB | Mathworks | Se utiliza para todos los análisis de imágenes y datos. Con esta publicación se incluyen programas para extraer orientaciones 3D de múltiples imágenes. | |
| OpenPTV: Velocimetría de seguimiento de partículas de código abierto | OpenPTV Consortium | ||
| ParaView | Kitware | ||
| AutoCAD | AutoDesk | Se utiliza para diseñar todas las partículas. Las capturas de pantalla de los diseños de partículas son todas de AutoCAD. | |
| Malla con agujeros de 0.040 x 0.053 pulgadas | Red industrial | XN5170– 43.5 | |
| Filtros de cámara | Schneider Optics | B+W 040M |
Referencias
- Marcus, G., Parsa, S., Kramel, S., Ni, R., Voth, G. Measurements of the Solid-body Rotation of Anisotropic Particles in 3D Turbulence. New J. Phys. 16, 102001(2014).
- Bretherton, F. The motion of rigid particles in a shear flow at low Reynolds number. J. Fluid Mech. 14 (02), 284-304 (1962).
- Oullette, N., Xu, H., Bodenschatz, E. A quantitative study of three-dimensional Lagrangian particle tracking algorithms. Exp. in Fluids. 40 (2), 301-313 (2006).
- Open Source Particle Tracking Velocimetry. , Open PTV Consortium. Available from: www.openptv.net (2014).
- Parsa, S., Calzavarini, E., Toschi, F., Voth, G. Rotation Rate of Rods in Turbulent Fluid. Phys. Rev. Lett. 109 (13), 134501(2012).
- Parsa, S., Voth, G. Inertial Range Scaling in Rotations of Long Rods in Turbulence. Phys. Rev. Lett. 112 (2), 024501(2014).
- Tsai, R. A versatile camera calibration technique for high-accuracy 3d machine vision metrology using off-the-shelf tv cameras and lenses. IEEE Journal of Robotics and Automation. 3 (4), 323-344 (1987).
- Blum, D., Kunwar, S., Johnson, J., Voth, G. Effects of nonuniversal large scales on conditional structure functions in turbulence. Phys. Fluids. 22 (1), 015107(2010).
- Mann, J., Ott, S., Andersen, J. S. Experimental study of relative, turbulent diffusion. RISO Internal Report. , R-1036 (1999).
- Chan, K., Stich, D., Voth, G. Real-time image compression for high-speed particle tracking. Rev. Sci. Instrum. 78 (2), 023704(2007).
- Goldstein, H., Poole, C., Safko, J. Classical Mechanics, 3rd Edition. , Addison-Wesley Publishing Company. 134-180 (2002).
- Parsa, S. Rotational dynamics of rod particles in fluid flows. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2013).
- Wijesinghe, S. Measurement of the effects of large scale anisotropy on the small scales of turbulence. , Wesleyan University. Ph.D. Thesis (2012).
- Wallace, J., Foss, J. The Measurement of Vorticity in Turbulent Flows. Annu. Rev. Fluid Mech. 27, 469-514 (1995).
- Su, L., Dahm, W. Scalar imaging velocimetry measurements of the velocity gradient tensor field in turbulent flows. I. Assessment of errors. Phys. Fluids. 8, 1869-1882 (1996).
- Lüthi, B., Tsinober, A., Kinzelbach, W. Lagrangian measurement of vorticity dynamics in turbulent flow. J. Fluid Mech. 528, 87-118 (2005).
- Frish, M., Webb, W. Direct measurement of vorticity by optical probe. J. Fluid Mech. 107, 173-200 (1981).
- Zimmerman, R., et al. Tracking the dynamics of translation and absolute orientation of a sphere in a turbulent flow. Rev. Sci. Instrum. 82 (3), 033906(2011).
- Zimmerman, R., et al. Rotational Intermittency and Turbulence Induced Lift Experienced by Large Particles in a Turbulent Flow. Phys. Rev. Lett. 106 (15), 154501(2011).
- Klein, S., Gibert, M. athieu, Bérut, A., Bodenschatz, E. Simultaneous 3D measurement of the translation and rotation of finite-size particles and the flow field in a fully developed turbulent water flow. Meas. Sci. Technol. 24 (2), 1-10 (2013).
- Bellani, G., Byron, M., Collignon, A., Meyer, C., Variano, E. Shape effects on turbulent modulation by large nearly neutrally buoyant particles. J. Fluid Mech. 712, 41-60 (2012).
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