Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia

Numerosos campos tanto en ingeniería como en ciencias naturales implican problemas asociados con la interacción de partículas fluidas. Este método proporciona una medición óptica simultánea relativamente de bajo costo y no intrusiva tanto de trayectorias de partículas como de velocidades de flujo. Aquí medimos las velocidades de sedimentación de las partículas de sedimento en un flujo turbulento, permitiendo una caracterización detallada de las trayectorias de las partículas mientras se miden simultáneamente velocidades turbulentas en el mismo lugar.

Para comenzar la configuración de velocimetría de imagen de partícula, fije un láser de pulso de alta intensidad de doble cabezal nivelado horizontalmente en una placa óptica, en línea con la instalación de flujo. Coloque una lente cilíndrica en línea con el láser para producir un plano de luz 2D que estará por debajo de la rejilla oscilante. A continuación, monte una lente esférica después de la lente cilíndrica a una distancia que generará una lámina de luz de 5 a un milímetro de grosor.

A continuación, coloque una cámara CCD de doble exposición perpendicular a la hoja de luz para grabar imágenes para PIV. Conecte una lente a la cámara, enciéndala y establézcala en modo libre y continuo. Enfoque en toscamente la cámara PIV en la instalación de flujo turbulento.

Ajuste la apertura y la posición de la cámara hasta que la imagen sea más pequeña o cercana a los límites de la hoja de luz deseada. A continuación, apague la cámara y encienda el láser a baja intensidad. Confirme que la hoja de luz es perpendicular al suelo y, a continuación, coloque un objetivo de calibración marcado con una cuadrícula precisamente en el centro de la hoja de luz.

Es esencial asegurarse de que la cámara PIV es perpendicular a la hoja de luz y que la hoja de luz es perpendicular al suelo o a la parte inferior de la instalación. La desalineación da lugar a proyecciones de velocidad incorrectas y, por lo tanto, error de velocidad del fluido. Apague el láser y vuelva a encender la cámara.

Enfoque la cámara en el objetivo de calibración y capture una sola imagen. Abra la imagen en el software de procesamiento de imágenes y confirme que el espaciado entre filas, altura y columnas es coherente en todo el destino. Los tamaños de los marcadores de esquina no deben diferir en no más de un píxel e idealmente, deben ser idénticos.

Si la imagen cumple estos criterios, elimine el objetivo de calibración. Instale la cuadrícula y ejecute la instalación. A continuación, introduzca una cucharada llena de partículas trazadores de PIV en el fluido.

Espere hasta que los trazadores y el líquido estén bien mezclados antes de continuar. A continuación, encienda el láser y establézcalo en control externo y alta potencia. Apague las luces de la habitación y capture un par de imágenes para evaluar la densidad del trazador.

Aumentar gradualmente la concentración del trazador por cucharaditas llenas a la densidad visual deseada. A continuación, establezca la velocidad de fotogramas de la cámara PIV en el valor más alto posible y establezca el tiempo entre imágenes PIV consecutivas. Confirme que el láser está configurado correctamente.

A continuación, apague las luces y recopile datos en modo libre durante unos segundos. Correlacionar los pares de imágenes y confirmar que los datos adquiridos son de buena calidad. Detenga la oscilación de la rejilla cuando haya terminado.

Para comenzar a configurar el seguimiento de partículas 2D, coloque una luz de línea LED monocromática debajo de la instalación de la rejilla de oscilación para que la hoja de luz se centre dentro de la línea LED. Encienda la luz de la línea LED y el láser en baja potencia. Confirme que la hoja de luz y la luz de línea están bien alineadas y, a continuación, apátelas.

A continuación, conecte una lente a una cámara de alta velocidad CMOS que se utilizará para el seguimiento de partículas. Encienda la cámara en modo continuo o en vivo libre, y enfóquela en la región de interés. Ajuste la altura y la distancia de apertura de la cámara de seguimiento de partículas hasta que la región de interés esté con su campo de visión y la cámara esté nivelada y perpendicular a la luz de línea.

Apague la cámara. Encienda la luz de línea y coloque el objetivo de calibración en el centro de la luz de línea. A continuación, apague la luz de línea, encienda la cámara y enfócila en el objetivo.

Capture una imagen del objetivo de calibración y confirme que la cámara de seguimiento de partículas está nivelada, perpendicular al objetivo y enfocada sin distorsión de imagen en los bordes. Retire el objetivo de calibración después. A continuación, establezca el número de imágenes de alta velocidad que se recopilarán.

En función de la velocidad de partícula esperada, establezca la velocidad de fotogramas y la resolución en valores que deben alcanzar el desplazamiento de partículas de tres a 10 píxeles entre imágenes. Instale la rejilla, encienda la luz de la línea LED y oscurezca la habitación. Inicie la oscilación de la rejilla e introduzca una pequeña porción de las partículas de interés en el flujo.

Cuando las partículas aparezcan en la cámara de alta velocidad, capture algunos fotogramas. Es importante que las pistas de partículas sean claramente visibles en las imágenes, lo que indica que las partículas permanecen en plano y no se superponen con frecuencia. El incumplimiento de estos criterios dará lugar a una incapacidad para rastrear con precisión las partículas.

Confirme que no hay efectos de entrada visibles, que la superposición de partículas es poco frecuente y que el movimiento de partículas está principalmente en plano. Detenga la oscilación cuando haya terminado. Para comenzar la calibración final, con las luces atenuadas coloque el objetivo de calibración dentro de las láminas de luz LED y láser.

Apague el láser y el LED y encienda las luces de la habitación. Asegúrese de que el objetivo de calibración esté enfocado dentro de los FOV de la cámara y tenga una marca única visible para ambas cámaras. Capture una imagen del objetivo de calibración en ambas cámaras.

Tenga en cuenta las ubicaciones relevantes de la marca única y confirme que las cámaras siguen estando niveladas y no muestran distorsión alrededor de los bordes. A continuación, retire el objetivo de calibración, instale la rejilla e inicie la oscilación. Deje que se ejecute durante al menos 20 minutos para permitir que el flujo alcance un estado estable.

A continuación, oscurezca la habitación, encienda la luz de la línea LED e introduzca las partículas en el flujo. Inicie simultáneamente los pulsos láser y la adquisición de imágenes para ambos sistemas cuando aparezcan partículas en la cámara de seguimiento de partículas FOV. Cuando haya finalizado la adquisición de datos, guarde las imágenes y detenga la oscilación de la cuadrícula.

Analice la distribución de la velocidad de flujo y las trayectorias de las partículas. Las imágenes PIV se pueden procesar en distribuciones instantáneas de velocidad de fluido y vorticidad. Aquí la distribución vectorial de velocidad de fluido se superpone en un mapa de color de vorticidad.

Con esta configuración, la magnitud de la media espacial de la fluctuación de la velocidad del fluido cuadrado medio de la raíz sobre el campo de visión PIV debe aumentar con la frecuencia de oscilación para los componentes de velocidad horizontal y vertical. Las trayectorias y velocidades de las partículas se pueden determinar a partir de las imágenes de seguimiento de partículas de alta velocidad. La distribución de las velocidades de las partículas debe ser más o menos gaussiana.

Aquí las partículas más grandes de forma irregular generalmente mostraban distribuciones de velocidad de partículas con desviaciones estándar más grandes que las de las partículas esféricas más pequeñas. Aunque ambos conjuntos de partículas mostraron distribuciones con velocidades verticales medias más grandes y desviaciones estándar más grandes a medida que aumentaba la tasa de oscilación de la rejilla. Las velocidades de sedimentación del flujo estancado de partículas sintéticas, arena industrial y arena localmente recolectado determinado a partir de sus trayectorias de partículas están más o menos de acuerdo con las curvas de Dietrich.

La tendencia de las velocidades de sedimentación de partículas a aumentar con la frecuencia de oscilación de la rejilla se exploró más a fondo en el análisis posterior. La medición óptica simultánea tanto de la cinética de partículas como de la dinámica de fluidos, específicamente de turbulencia, es difícil debido al potencial de interferencia entre las dos técnicas de imagen, lo que resulta en imprecisiones de medición. Los flujos que son fuertemente tridimensionales no son adecuados para esta técnica, ya que los movimientos fuera del plano producirán errores tanto en el seguimiento 2D como en el análisis de velocimetría de partículas.

La concentración de partículas rastreadas debe ser relativamente baja para maximizar la confianza de que la misma partícula está siendo rastreada en imágenes consecutivas. Además, los trazadores PIV y las partículas que se rastrean deben tener un tamaño lo suficientemente diferente como para distinguirlos. La integración de la información de velocidad de flujo con la trayectoria de las partículas depende de lo que se esté investigando.

Por ejemplo, este método también puede examinar las velocidades de flujo en instancias específicas en el tiempo a lo largo de la trayectoria de la partícula. Esta técnica se demostró con el transporte de sedimentos, una aplicación para las ciencias del movimiento, pero es relevante en muchas aplicaciones donde el flujo de fluidos interactúa con partículas naturales o artificiales.