Tridimensional de velocimetría de seguimiento de partículas para aplicaciones de turbulencia: Caso de un Flujo Jet

Los objetivos de este experimento son establecer y optimizar un sistema de velocimetría de seguimiento de partículas para aplicaciones de turbulencia y utilizarlo para estudiar el flujo en chorro. Este método puede ayudar a responder preguntas clave en el campo de la turbulencia utilizando la descripción lagrangiana del flujo. La principal ventaja de esta técnica es su capacidad para rastrear un gran conjunto de partículas en el tiempo y el espacio.

Aunque este método puede proporcionar información sobre una turbulencia y un marco de referencia lagrangiano, se puede aplicar a otras aplicaciones, como la captura de movimiento o el seguimiento de movimiento. La configuración de este experimento es para el estudio del campo de flujo intermedio de un chorro de tubería. Este tanque lleno de agua tiene en su interior un canal para crear un chorro con un diámetro de un centímetro.

Este esquema proporciona una visión general de la configuración antes de la adición de equipos para la velocimetría de seguimiento de partículas tridimensionales. Para prepararse para el seguimiento de partículas, identifique una región de estudio, el volumen de interrogación. En este experimento se trata de un cubo con sus caras paralelas a las del mayor volumen y su punto más cercano a 15 centímetros del extremo del canal.

Una vez elegido el volumen de interrogación, comience por colocar el espejo primario. El espejo tiene forma piramidal y está montado en un poste de montaje vertical a lo largo del costado del tanque del experimento. Deslice el espejo a lo largo del poste para nivelarlo con el centro del volumen de interrogación y luego fíjelo en su lugar.

A continuación, monta la cámara detrás del espejo principal. Establezca el centro de la imagen de la cámara para que coincida con el centro del espejo principal. Ahora, muévase a la computadora para verificar su conexión con la cámara.

Continúe configurando la interfaz entre la cámara y el software de grabación. Comience con la vista de la cámara del espejo primario y sus alrededores. Utilice la configuración de la región de interés del software para ajustar el ancho y la altura de la vista de la cámara para cubrir solo el espejo principal.

El siguiente paso es colocar un objetivo de calibración en el tanque para configurar los espejos secundarios. Este objetivo está diseñado a medida para abarcar todo el volumen de interrogatorios. El objetivo tiene puntos objetivo de un milímetro de diámetro para la calibración.

Primero, coloque una plataforma de altura ajustable en el tanque para apoyar al objetivo. Coloque el objetivo de calibración en la plataforma y oriéntelo para que mire hacia la cámara. Ajuste la altura de la plataforma para que coincida con el centro del objetivo de calibración con el centro del volumen de calibración.

Proceda completando el divisor de cuatro vistas. Ajuste la posición del espejo primario para que capture todo el volumen de interrogación. Los espejos secundarios están montados en postes de montaje verticales a ambos lados del espejo primario.

Monte cada espejo secundario de modo que esté aproximadamente alineado con la vista de la cámara desde el lado más cercano del espejo primario. Asegure el espejo secundario en su lugar. La disposición final debe ser geométricamente simétrica con respecto al espejo primario.

Utilice un puntero láser y diríjalo a un espejo a su vez para visualizar la trayectoria de la imagen. Realice los ajustes finales en el espejo secundario utilizando la trayectoria del haz como guía para que la vista abarque todo el objetivo de calibración. Repita la visualización de la ruta de la imagen y realice ajustes para cada uno de los espejos secundarios restantes.

Una vez que se hayan ajustado todos los espejos, supervise las subimágenes de la vista de la cámara. En la computadora, observe la vista de la cámara de las imágenes. En el divisor de vista, mueva uno de los espejos secundarios para investigar la superposición de subimágenes.

Si solo cambia una vista a medida que el espejo se mueve, hay una superposición insignificante. Con el divisor de cuatro vías en su lugar, apague la cámara y continúe trabajando con la iluminación. Coloque las fuentes de luz directamente frente al volumen de interrogación desde arriba.

En este experimento, se coloca una lente de aumento directamente debajo de las fuentes de luz para mejorar la intensidad de la luz. Encienda las fuentes de luz y compruebe visualmente que la luz se distribuye uniformemente por todo el volumen de interrogación. Comience a optimizar la configuración volviendo al trabajo con la cámara.

Ajuste el enfoque de la lente hasta que el reflejo a través del espejo primario se enfoque por igual en las cuatro vistas de los espejos secundarios. Asegúrese de que las imágenes del divisor de vista sean simétricas y muestren el volumen de interrogación. Continúe para ajustar el f-stop para poder capturar tanto el punto más cercano como el más lejano en el objetivo de calibración.

La cámara solo capturará partículas trazadoras en el volumen de interrogación. En este punto, recurre al software de grabación. Establezca la velocidad de fotogramas deseada.

Para este experimento se utilizan 550 hercios. A continuación, maximice la sensibilidad a la luz de acuerdo con la velocidad de fotogramas elegida. Ahora, prepárese para tomar imágenes de calibración del objetivo de calibración.

Coloque una linterna LED en el tanque directamente sobre el objetivo para iluminarlo. Capture varias imágenes del objetivo a través del divisor de cuatro vistas para los pasos de calibración posteriores. Cuando termine, retire el objetivo de calibración, su soporte y la luz para comenzar a ajustar la iluminación.

Prepare una pequeña cantidad de partículas de siembra para optimizar la iluminación. Consigue un vaso de precipitados pequeño que contenga agua y añádele las partículas de siembra. Espera a que las partículas se difundan.

Las partículas son esferas cerámicas huecas recubiertas de plata de 100 micrómetros. Vierta la mezcla en el tanque para ayudar a optimizar la iluminación y la configuración de la cámara. Continúe con las luces de la habitación apagadas y las fuentes de luz encendidas.

En la computadora, monitoree la vista de la cámara en vivo del espejo primario y verifique la iluminación en cada vista observando la diferencia de densidad de partículas entre las vistas. La geometría de este experimento hace que los dos espejos superiores reciban menos luz. En la configuración, remedie esto agregando un espejo plano debajo de la fuente de luz en la parte inferior del tanque.

Bajo las fuentes de luz, esta adición ayuda a reducir la variación en la vista. En la cámara, ajuste los niveles de ganancia y negro, cada uno en el rango de aproximadamente cero a 500. El objetivo es capturar mejor la dispersión de la luz de las partículas.

En esta secuencia, se comparan tres imágenes fijas con diferentes niveles de ganancia y negro. En este experimento se utilizó un ajuste de ganancia de 300 y un ajuste de negro de 500. Apague las fuentes de luz y encienda la iluminación de la habitación.

En la computadora, abra el software para la velocimetría de seguimiento de partículas. La idea es cargar una de las imágenes de calibración tomadas anteriormente. Utilice el software para dividir esta imagen en cuatro subimágenes independientes que corresponden a las diferentes vistas del espejo secundario.

Guarde cada una de estas subimágenes en un archivo diferente. Cada imagen se utilizará como si fuera de una cámara separada. Continúe con los pasos de calibración utilizando datos de coordenadas y pasos para varias cámaras.

Prepárese para la recopilación de datos encendiendo las fuentes de luz de velocimetría. A continuación, obtenga las partículas de siembra y agréguelas al tanque. Espere a que se desarrolle el flujo de estado estacionario en el sistema.

Con las luces de la habitación apagadas, monitoree la vista de la cámara para verificar la densidad correcta de siembra de partículas, como en este video ralentizado del flujo de chorro. Cuando esté satisfecho, registre el número deseado de imágenes de flujo. Una vez que se hayan recopilado los datos, comience el procesamiento de datos dividiendo las imágenes recopiladas en cuatro subimágenes y almacenándolas.

Una vez hecho esto, aparece la pantalla PTV abierta con opciones de menú en la parte superior y una pantalla para diferentes vistas de cámara a la derecha. Vaya a la pestaña de inicio en los elementos del menú y haga clic para mostrar las opciones. Haga clic en reiniciar imagen para cargar las cuatro vistas de cámara de la primera imagen sin procesar en los datos.

Mueva el cursor del ratón al directorio de ejecución y haga clic en él. Desde allí, haga clic en Parámetros principales. En la nueva ventana, vaya a la pestaña general.

Introduzca el número de cámaras, en este caso cuatro. Continúe ingresando parámetros en las otras pestañas. Cuando haya terminado, mueva el ratón para hacer clic en el elemento del menú de preprocesamiento.

Allí haga clic en filtro de paso alto. El resultado es intensificar la dispersión de la luz en las cuatro imágenes. También en el elemento de menú de preprocesamiento, busque y haga clic en detección de partículas para determinar el centroide de cada partícula detectada.

A continuación, de nuevo, en el elemento de menú preproceso, haga clic en correspondencias para establecer correspondencias estereoscópicas. A continuación, vaya al elemento de menú Posiciones 3D. Debajo de él, seleccione las posiciones 3D para determinar la posición tridimensional de las partículas detectadas en función de la calibración.

En el elemento de menú secuencia, busque y haga clic en secuencia sin pantalla para repetir los pasos de preprocesamiento para todas las secuencias de imágenes recopiladas. Ahora, introduzca los parámetros que se utilizarán para identificar las partículas para el seguimiento. Continúe seleccionando el elemento del menú de seguimiento.

A partir de ahí, elija el seguimiento sin visualización para correlacionar los fotogramas adyacentes. Y elija partículas detectadas para visualizar partículas reconstruidas en 3D. Cuando se complete el seguimiento, vaya al elemento del menú de seguimiento y selecciónelo.

Haga clic en mostrar trayectorias para visualizar las trayectorias en cada vista de cámara. Cada una de las vistas de la cámara ahora tiene las trayectorias de las partículas representadas. Además, se ha creado un archivo de datos para el posprocesamiento.

Esta es una muestra de tres trayectorias de partículas representativas en la región de campo intermedio alrededor del avión a 16 veces el diámetro del chorro de la tubería. Cuando la distancia desde el núcleo del chorro es pequeña, se observan trayectorias más largas en el intervalo de tiempo de un segundo de estos datos. A medida que aumenta la distancia desde el núcleo del chorro, la longitud de la trayectoria disminuye.

Con tres veces el diámetro del chorro de la tubería, las partículas trazadoras exhiben trayectorias cortas y complejas. Aquí están todas las trayectorias de partículas reconstruidas con éxito que cruzan el mismo plano. La distribución de las velocidades oscila entre cero y el 60% de la velocidad de salida del chorro.

Las velocidades bajas están en el rango azul del espectro y las velocidades altas están en el rango rojo. El análisis revela que las partículas cerca del núcleo del chorro exhiben trayectorias más suaves. El seguimiento de partículas permite el cálculo de la curvatura a lo largo de la trayectoria de la partícula.

Este es un gráfico de la curvatura media por el diámetro del chorro de la tubería frente a la distancia radial escalada para dos planos. Uno a 16 y el otro a 17 diámetros de chorro de tubería. Ambos aumentan monótonamente, pero el plano más alejado de la salida de la tubería tiene una curvatura media reducida fuera del núcleo del chorro.

Este gráfico proporciona información sobre la distribución de la velocidad media de los chorros en los 16 diámetros de chorro de tubería del avión más allá de la salida de la tubería. Una vez dominada, esta técnica se puede realizar en seis horas si se realiza correctamente, excluyendo el tiempo de procesamiento con el software. Al intentar este procedimiento, es importante recordar tener una iluminación uniforme, una configuración correcta de la cámara y una cantidad suficiente de partículas de siembra.

Después de ver este video, debería tener una buena comprensión de cómo configurar el divisor de vista, ensamblar la fuente de luz, controlar los parámetros de la cámara y optimizar el sistema PTV. Después de su desarrollo, esta técnica allanó el camino para que los investigadores en el campo de la turbulencia exploraran estudios experimentales en la dinámica de flujo lagrangiano.