Los métodos para medir la orientación y rotación Tasa de partículas en la turbulencia impresa en 3D

El objetivo general de este experimento es utilizar la impresora 3D para fabricar partículas de una amplia variedad de formas y medir su movimiento en un flujo turbulento. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en dinámica de fluidos, como cómo giran y se alinean las partículas en flujos de fluidos turbulentos. Su principal ventaja es que permite mediciones precisas y resueltas en el tiempo de las orientaciones de partículas con formas complejas que no se podían lograr con los métodos anteriores.

Este método ha proporcionado información sobre el movimiento de discos y esferas en turbulencia, y se puede utilizar para medir la dinámica de partículas con formas complejas en muchas otras situaciones. Por lo general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades con la calibración de la cámara 3D y la adaptación del algoritmo de búsqueda de orientación a las partículas específicas que se utilizan. Ayudando a demostrar el procedimiento estará Guy Marcus, quien realizó los experimentos originales con cruces y jotas.

Comience utilizando software de diseño asistido por computadora para crear modelos de partículas para imprimir. Para crear una tríada con AutoCAD, primero utilice el comando círculo para dibujar un círculo con un diámetro de 0,3 milímetros. A continuación, utilice el comando de extrusión para hacer un cilindro de tres milímetros de largo.

Los cilindros de este tamaño son los componentes básicos de las partículas. Ahora use el comando rotar y seleccione el eje de rotación para que esté a lo largo del eje X, y el ángulo de rotación para que sea de 90 grados. Ajuste la vista para dejar espacio para trabajar con otros cilindros.

A continuación, haz una copia del cilindro que será el segundo brazo de la tríada. Al final de este cilindro, aplique el comando rotar 3D con el eje de rotación a lo largo del eje Z. Gire el cilindro 120 grados para la tríada.

Mueva el cilindro girado a su posición para formar un brazo de la tríada. Los centros de los extremos de los cilindros deben coincidir. Haga y coloque el tercer brazo de la misma manera.

A continuación, gire el objeto para que ningún cilindro apunte a lo largo del acceso vertical u horizontal. Cuando todos los brazos estén en su lugar, selecciónelos todos y utilice el comando de unión para unirlos en un solo objeto. Guarde el archivo en un formato para imprimir en 3D.

Cree las otras partículas que se utilizarán en el experimento siguiendo pasos similares. Además de la tríada, está la cruz hecha de dos cilindros ortogonales con un centro común, el gato hecho de tres cilindros mutuamente ortogonales con un centro común, y la tétrada en la que los cilindros comparten un extremo común y están en ángulos de 109,5 grados entre sí. Imprima alrededor de 10.000 de cada tipo de partícula en modo de alta resolución.

Prepárese para almacenar las partículas impresas en una solución en la que floten neutramente. Para ello, utilice una solución de cloruro de calcio y aproximadamente 1.600 litros de agua a la densidad de flotabilidad neutra. Retire aproximadamente un litro de la solución para almacenar cada tipo de partícula.

Lleva el litro de solución al banco y comienza a trabajar con las partículas. Las partículas utilizadas en este experimento han sido impresas comercialmente. Llegan recubiertos de resina utilizada como material de soporte.

Libere las partículas rompiendo suavemente las piezas grandes en secciones pequeñas. Trabaja con cada sección para masajearla manualmente hasta que se desprenda gran parte del exceso de resina. Esto facilitará los pasos posteriores.

Para limpiar aún más las partículas, prepare una solución de hidróxido de sodio al 10% en masa en un vaso de precipitados. A continuación, coloque algunas partículas y lo que queda de su resina en el vaso de precipitados para eliminar la resina. Mueva el vaso de precipitados con la solución a un baño ultrasónico.

Mantenga las partículas en el baño ultrasónico durante una hora inicialmente, luego media hora adicional después del enjuague. Para recuperar las partículas, prepare un segundo vaso de precipitados para recibir la solución de hidróxido de sodio del baño y un filtro. Una vez completados los pasos de limpieza ultrasónica, use guantes para retirar el vaso de precipitados del baño y vierta el contenido a través del filtro en el segundo vaso de precipitados.

Enjuague las partículas antes de moverlas a la solución de densidad compartida donde se sumergirán para evitar deformaciones. Se trata de partículas que se han liberado de su resina, se han limpiado en el baño ultrasónico y ahora están listas para el teñido para que emitan fluorescencia bajo la luz láser verde. Para teñir las partículas, use una solución de un litro de tinte de rodamina-B en agua y colóquela en una placa caliente.

Calienta el tinte a 80 grados centígrados para el material de esta partícula. Llene sin apretar un recipiente pequeño con las partículas del almacenamiento. Serán unas 2.500 partículas.

Agregue las partículas a la solución de tinte y mantenga la temperatura mientras están sumergidas. Después de unas dos o tres horas, retire la solución y las partículas del fuego. Use una malla y un recipiente separado para filtrar las partículas de la solución.

Tenga cuidado de no dañarlos mientras estén blandos por el calor. A continuación, enjuague las partículas con cuidado para eliminar el exceso de tinte. Cuando termines, guárdalos en la solución de flotabilidad neutra hasta que los necesites para el experimento.

El experimento se llevará a cabo en un tanque con cámaras colocadas para registrar las partículas en el centro del flujo. Este esquema proporciona una descripción general de la configuración del tanque, que tiene una sección transversal octogonal, rejillas oscilantes utilizadas para crear un flujo turbulento, el volumen de medición y las posiciones de la cámara. Utilice un mínimo de cuatro cámaras para la precisión de la medición de la orientación.

Cada cámara debe tener al menos una resolución de un megapíxel a 450 fotogramas por segundo y estar conectada a una computadora dedicada. Coloque las cámaras con ángulos grandes entre dos de ellas y asegúrese de que todas estén enfocadas en el volumen de medición deseado. Para minimizar la distorsión óptica, los puertos de visualización están integrados en el tanque que son perpendiculares a la dirección de visualización de la cámara.

A continuación, coloque una máscara de calibración de imagen en el volumen de medición del tanque. Esto permitirá el análisis de los datos experimentales recogidos por las cámaras. Para simular las condiciones experimentales, comience a llenar el tanque con la solución de flotabilidad neutra a granel.

Cuando el tanque esté lleno, configure luces para iluminar la máscara. A continuación, vuelva a trabajar con las cámaras. Enfoque cada cámara en el mismo punto de la máscara y, a continuación, adquiera y almacene imágenes para la calibración.

Después de drenar el tanque, continúe configurando el experimento colocando un láser de granate de neodimio, itrio y aluminio. Coloque un divisor de haz para dirigir parte del rayo láser a un espejo. La luz va desde el espejo a través de lentes que forman un haz cilíndrico y hacia el tanque.

En el lado opuesto del tanque, coloque un espejo para reflejar la luz láser que sale a lo largo de su camino. Utilice la otra salida del divisor de haz y una disposición similar de espejos y lentes para crear un haz cilíndrico perpendicular al primero como en este esquema de vista superior. Los espejos por donde salen los haces ayudan a crear una iluminación más uniforme.

Luego, inspeccione el tanque que está lleno con una solución de cloruro de calcio de flotabilidad neutra desgasificada. Antes de continuar, asegúrese de que las cámaras y el software de adquisición de datos estén listos. Prepárese para agregar al tanque las aproximadamente 10.000 tétradas que se han preparado para este experimento.

Muévalos a su posición cerca del puerto en la parte superior del tanque. Cuando esté listo, abra el puerto y agregue las partículas al agua del tanque. Cierre el puerto una vez que se hayan agregado todas las partículas.

A continuación, pase al láser. Allí, enciéndalo y abra la apertura del láser. A continuación, utilice los controles de cuadrícula para iniciar la cuadrícula oscilando a tres hercios.

En el tanque, deje que la rejilla oscile durante aproximadamente un minuto para permitir que la turbulencia se desarrolle por completo. En ese momento, comience la adquisición de datos y grabe alrededor de un millón de fotogramas. Al final de la carrera, detenga la recopilación de datos y cierre la apertura del láser.

Después de que se hayan realizado todos los experimentos, muévase a la salida del tanque. Allí, coloque un filtro para eliminar las partículas de la solución y vacíe el tanque. Guarde las partículas recogidas en la solución de flotabilidad neutra para su uso posterior.

Realice análisis de datos en las imágenes grabadas utilizando software para encontrar la posición y orientación de las partículas. Los siguientes pasos se implementan en el software. A partir de cuatro imágenes sincrónicas de una partícula capturadas por las cuatro cámaras, utilice información bidimensional para determinar su posición tridimensional.

Proyecte un modelo numérico tridimensional de la partícula iluminada en cada cámara utilizando los parámetros de calibración de la cámara. Esto crea un modelo bidimensional de la intensidad de la luz de la partícula en las cuatro cámaras. A continuación, ejecute una rutina de ajuste de mínimos cuadrados no lineales para encontrar la orientación del modelo que mejor se adapte a lo que se ve en las cuatro cámaras.

Combine la información de las cuatro cámaras para minimizar la diferencia entre el modelo proyectado en cada cámara y la partícula observada. Estos pasos se realizarán para todos los fotogramas que tengan partículas a la vista de todas las cámaras. Esta es la evolución de una tétrada en posición y orientación.

Obsérvese el cambio discontinuo en la orientación de los brazos de la tétrada, que es posible tener sin salvaguardas. Esta segunda versión de la evolución de la tétrada muestra que el software garantiza que los ángulos del engrasador para cada bastidor sean la rotación más pequeña con respecto al bastidor anterior. La información de posición y orientación se guarda para su uso posterior.

Esta es una imagen de cámara de una tétrada en el experimento. En la segunda imagen, el modelo superpuesto indica la orientación encontrada por el algoritmo. A pesar de la simplicidad del modelo de intensidad bidimensional, el método produce mediciones precisas de la orientación de las partículas.

En el experimento, se utiliza el algoritmo de búsqueda de orientación para obtener la evolución de los ángulos del aceitador a lo largo de toda la trayectoria de cada partícula. Se trata de una reconstrucción de la trayectoria completa de una tétrada a través del volumen de visualización. Esto se consigue combinando la orientación y las coordenadas tridimensionales de la partícula para cada fotograma en el que las cuatro cámaras la visualizan.

La longitud de la pista es de 229 cuadros. Tenga en cuenta que la partícula no se dibuja a escala. Los datos también permiten determinar la función de densidad de probabilidad de la tasa de volteo medida.

Los cuadrados rojos son datos para las cruces. Los círculos azules son datos para los gatos. La línea continua representa el resultado de la simulación numérica de esferas, que coincide muy bien con los datos experimentales.

Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en tres días si se realiza correctamente. Al intentar este procedimiento, es importante dejar que las partículas pasen un par de horas en las soluciones de diferentes densidades. También es esencial asegurarse de que las cámaras estén correctamente alineadas, fijas y sincronizadas durante todo el experimento.

Siguiendo este procedimiento, se pueden utilizar otros métodos, como el seguimiento de las partículas trazadoras, para medir cómo responden las partículas impresas en 3D al tensor de gradiente de velocidad completa en el flujo circundante. Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo usar partículas anisotrópicas para extraer información sobre el tensor del gradiente de velocidad del flujo turbulento utilizando cuatro imágenes de video estereoscópicas. No olvide que trabajar con tinte de rodamina-B e hidróxido de sodio puede ser peligroso, y siempre se deben tomar precauciones como guantes y gafas protectoras al realizar este procedimiento.