Name: Medida simultánea de la cinemática de la partícula usando técnicas de imagen de flujo y turbulencia (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-03-12T13:00:00.000+00:00
Duration: 10 min 53 s
Description: Aprende a medir simultáneamente la cinemática de partículas y la turbulencia en flujos de baja concentración usando PIV y cámaras de alta velocidad. Esta técnica no intrusiva permite caracterizar trayectorias de sedimentos y velocidades turbulentas con precisión óptica.

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Porciones de este trabajo fueron apoyadas por la Fundación de II-VI y el costero Carolina profesional mejora Grant. También quisiéramos reconocer Corrine Jacobs, Marek Jendrassak y William Merchant para ayudan con la instalación experimental.

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</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

El método descrito en este documento es relativamente barato y proporciona una manera simple de medir simultáneamente la trayectoria de la partícula y la turbulencia para examinar la influencia del flujo en la cinemática de la partícula. Cabe mencionar que los flujos o movimientos de partículas que son fuertemente tridimensionales no son apropiados para esta técnica. El movimiento hacia fuera-de-plano resultará en errores17 en 2D de seguimiento y el análisis PIV y debe reducirse al mínimo. Además,...

Existen un gran número de aplicaciones en campos científicos y de ingeniería que involucren el comportamiento de las partículas en el flujo turbulento, por ejemplo, aerosoles en la atmósfera, contaminantes o sedimentos en sistemas de ingeniería y Marina los microorganismos o sedimentos en el océano1,2,3. En este tipo de aplicaciones, es a menudo de interés para entender cómo las partículas responden a las turbulencias, que requiere la medición simultánea de la cinemática de la partícula y la dinámica de fluidos.
Tecnologías existentes para medir movimientos de la partícula, llamados rastreo de partículas (PT), que rastrea la trayectoria de la partícula individual y la técnica estadística de partículas imagen velocimetry4,5 (PIV), utilizan para medir el flujo velocidades, ambos incorporan técnicas ópticas no intrusiva. El principal desafío en el uso de estas técnicas ópticas no intrusiva para medir simultáneamente la cinemática del flujo y la partícula es la iluminación independiente para cada técnica de imagen que no puede interferir con la medición exactitud ( por ejemplo, la fuente de iluminación para la medición de la cinemática de la partícula no puede actuar como una fuente de ruido importante en la medición de la velocidad del fluido y viceversa). El contraste de la imagen en ambos conjuntos de imágenes debe ser suficiente para obtener resultados fiables. Por ejemplo, las imágenes de PT se convierten en imágenes en blanco y negro con el fin de realizar un análisis de blob para determinar las posiciones de la partícula; así, el contraste insuficiente conduce a errores en la posición de la partícula. Contraste pobre en cantidad de imágenes PIV a un cociente signal-to-noise bajo que provocarán inexactitudes en la estimación de las velocidades del fluido.
Aquí, se describe un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente dos velocidades de cinemática y el flujo de partículas. Mediante el uso de una alta potencia de luz monocromática emite luz, de la línea de diodo (LED) donde la línea se refiere a la abertura de luz y doble cabeza láser de alta intensidad, tanto las partículas de interés y el campo de flujo se reflejada en la misma región al mismo tiempo. La alta potencia del LED es suficiente para la proyección de imagen de las partículas (orugas) de la cámara de alta velocidad pero no afecta a las imágenes PIV porque la intensidad de la luz dispersada de trazadores PIV es demasiado baja. Cuando el láser de alta intensidad de doble cabeza ilumina el campo de flujo de las imágenes PIV, se produce en un intervalo a corto plazo y estas imágenes son fácilmente identificadas y eliminadas de la serie de tiempo obtenida por la cámara de alta velocidad PT cuando se registran. PIV láser de pulsos registrados en el tiempo (utilizado para el rastreo de partículas) de alta velocidad imagen serie puede minimizarse por no ejecutar los dos sistemas a precios de adquisición de marco que son proporcionales entre sí. En las configuraciones más avanzadas, uno podría desencadenar externamente las cámaras PT y PIV con un retraso que asegure que esto no sucede. Finalmente, por una cuidadosa consideración de la cantidad de partículas que se rastrean en el campo de visión (FOV) de PIV, los errores introducidos por estas partículas seguidas en el análisis de correlación de imágenes PIV son ya tenidos en cuenta por la general estimación de error, incluyendo errores asociados con la distribución de tamaño no uniforme de trazadores PIV en la ventana de interrogación. La gran mayoría de la PIV marcadores de siembra siguiendo el flujo, produciendo estimaciones de velocidad de flujo exacta. Estas técnicas permiten la medida directa simultánea de ambos la partícula cinemática y el flujo de campo en un plano bidimensional.
Esta técnica se demuestra aplicando para determinar partículas colocar las características de un flujo turbulento, similar a la utilizada en los estudios por Yang y tímido6 y Jacobs et al. 7. partícula de adaptación es la etapa final en transporte de sedimentos, que generalmente consiste en suspensión de sedimento transporte y asentamiento. En la mayoría estudios anteriores que han abordado la partícula en el flujo turbulento, o trayectorias de la partícula o velocidades turbulentas no son directamente medidos pero deducido teóricamente modelado8,9,10. Detalles sobre las interacciones entre las partículas y las turbulencias han sido investigados más a menudo posible usando modelos teóricos y numéricos debido a las limitaciones experimentales en la medición de ambos al mismo tiempo6,11. Presentamos un estudio de caso de interacción partícula-turbulencia en una instalación de rejilla oscilante, donde se estudia la velocidad de sedimentación de las partículas y su acoplamiento con turbulencia. Para mayor claridad, en lo sucesivo nos referiremos a las partículas del objeto de investigación en "partículas" y la siembra utilizado en la técnica PIV como "trazadores"; Además, nos referiremos a la cámara que se utiliza para la proyección de imagen de alta velocidad de las trayectorias de partículas como "rastreo de partículas", "PT" o "alta velocidad", cámara que mide "imágenes de alta velocidad" y la cámara se utiliza para el método PIV la "cámara PIV", que medidas de "imágenes". El método aquí descrito permite la medida simultánea de la cinemática de partículas y dinámica de fluidos sobre un campo predefinido de interés dentro de las instalaciones. Los datos obtenidos proporcionan una descripción de dos dimensiones de la interacción de partículas turbulencia.

<table><tbody><tr><td>Lentes ópticas</td><td>CVI LASER OPTICS</td><td>Y2-1025-45, RCC-25.0-15.0-12.7-C, PLCC-25.4-515.1-UV</td><td>Otras empresas de óptica son aceptables. Lentes esféricas y cilíndricas para la generación de lámina de luz PIV.</td></tr><tr><td>Lente de cámara para PIV</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 105mm f/2D</td><td>Otras compañías de lentes de cámara son aceptables. Lente de la cámara para imágenes PIV.</td></tr><tr><td>Lente de cámara para alta velocidad</td><td>Nikon</td><td>Nikkor 50mm f/1.8D</td><td>Otras compañías de lentes de cámara son aceptables. Lente de la cámara para imágenes de alta velocidad.</td></tr><tr><td>Láser pulsado de doble cabezal</td><td>Quantel</td><td>EverGreen: 532 nm, 70mJ@15Hz</td><td>Se aceptan otras empresas de láser. Láser pulsado de doble cabezal para PIV: Nd: YAG</td></tr><tr><td>Luz de línea LED</td><td>Gardasoft Vision, Ltd.</td><td>Iluminación de línea LED VLX2 - Verde - GAR-VLX2-250-LWD-G-T04</td><td>Se aceptan otras empresas. Luz de línea para LED.</td></tr><tr><td>Sembrado PIV partículas/trazadores</td><td>Industrias de alfareros</td><td>Esferas de vidrio huecas esféricas: diámetro promedio de 11 mm</td><td>Otras empresas son aceptables. Partículas de siembra PIV</td></tr><tr><td>Cámara de correlación cruzada CCD</td><td>TSI, Inc.</td><td>POWERVIEW 11M: CCD, doble exposición, 4008x2672 píxeles @ 4.2 Hz con rango dinámico de 12 bits</td><td>Otras compañías son aceptables. Cámara CCD de doble exposición para imágenes PIV.</td></tr><tr><td>Cámara de alta velocidad</td><td>Photron</td><td>FASTCAM SA3; Modelo 60K: 1024x1024 píxeles @ 1kHz</td><td>Otras compañías son aceptables. Cámara CMOS para imágenes de alta velocidad.</td></tr><tr><td>Sincronizador</td><td>TSI, Inc.</td><td>LASERPULSE SYNCHRONIZER 610036</td><td>Otras empresas son aceptables. Sincroniza la adquisición de la cámara PIV y el láser.</td></tr><tr><td>Objetivo de calibración</td><td>TSI, Inc.</td><td></td><td>Otras empresas son aceptables. Objetivo de precisión para la calibración de imágenes.</td></tr></tbody></table>

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

Simultaneous Measurement of Turbulence and Particle Kinematics Using Flow Imaging Techniques

Numerosos problemas en los campos científicos y de ingeniería implican entender la cinemática de partículas en flujos turbulentos, tales como contaminantes, microorganismos marinos y sedimentos en el océano, o en reactores de lecho fluidizado y los procesos de combustión en sistemas de ingeniería. Para estudiar el efecto de la turbulencia sobre la cinemática de las partículas en dichos flujos, se requieren mediciones simultáneas de la cinemática del flujo y la partícula. Existen técnicas de medición de flujo no intrusivo, óptico para medir la turbulencia, o para el seguimiento de las partículas, pero ambos al mismo tiempo de medición puede ser difícil debido a la interferencia entre las técnicas. El método aquí presentado proporciona un método relativamente simple y de bajo costo para hacer medidas simultáneas de la cinemática de la partícula y el flujo. Una sección transversal del flujo se mide utilizando una partícula imagen velocimetry (PIV) técnica, que proporciona dos componentes de velocidad en el plano de medición. Esta técnica utiliza un láser de pulsos para la iluminación del campo de flujo sembrado que es fotografiada por una cámara digital. La cinemática de la partícula son simultáneamente reflejada con una lámpara que emite luz de línea del diodo (LED) que ilumina una sección plana de la corriente que se superpone con la PIV campo de visión (FOV). La luz de la línea es de energía suficientemente baja que no afecta las medidas de PIV, pero lo suficientemente potente como para iluminar las partículas más grandes de interés reflejada usando la cámara de alta velocidad. Imágenes de alta velocidad que contienen los pulsos del láser de la técnica PIV se filtran fácilmente examinando el nivel de intensidad sumados de cada imagen de alta velocidad. Haciendo que la velocidad de fotogramas de la cámara alta velocidad inconmensurable con el de la velocidad de fotogramas de cámara PIV, puede reducirse el número de contaminados fotogramas de la serie de tiempo de alta velocidad. La técnica es conveniente para flujos significa que son predominantemente bidimensionales, contienen partículas que son al menos 5 veces el diámetro medio de la PIV siembra trazadores y baja concentración.

Un esquema del montaje experimental se muestra en la figura 1. La figura muestra el arreglo de hojas de luz (LED y láser), la superposición en el campo de la imagen y la posición del campo de la imagen en relación con la rejilla oscilante y paredes del tanque. Las turbulencias y las partículas se miden simultáneamente como se describe en la sección de protocolo. La figura 2 muestra resultados de ejemplo de las mediciones de la ve...

La técnica descrita en el presente documento ofrece un método relativamente simple y de bajo costo para medir simultáneamente la cinemática de la partícula y la turbulencia en flujos con concentraciones bajas de partículas. La turbulencia se mide utilizando partículas imagen velocimetry (PIV), y cinemática de la partícula se calcula a partir de imágenes obtenidas con una cámara de alta velocidad en un campo de vista superpuesto.

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

Numerous problems in scientific and engineering fields involve understanding the kinematics of particles in turbulent flows, such as contaminants, marine ...

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

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