Méthodes de mesure de l'orientation et de rotation Taux de particules dans Turbulence 3D-imprimés

L’objectif global de cette expérience est d’utiliser l’imprimante 3D pour fabriquer des particules d’une grande variété de formes et mesurer leur mouvement dans un écoulement turbulent. Cette méthode peut aider à répondre à des questions clés en dynamique des fluides, telles que la rotation et l’alignement des particules dans les écoulements de fluides turbulents. Son principal avantage est qu’il permet des mesures précises résolues en temps des orientations de particules de formes complexes, ce qui ne pouvait pas être réalisé avec les méthodes précédentes.

Cette méthode a permis de mieux comprendre le mouvement des disques et des sphères en turbulence, et peut être utilisée pour mesurer la dynamique de particules de formes complexes dans de nombreuses autres situations. En général, les personnes qui débutent dans cette méthode auront du mal à calibrer la caméra 3D et à adapter l’algorithme de recherche d’orientation à des particules spécifiques spécifiques utilisées. Guy Marcus, qui a réalisé les expériences originales avec des croix et des carangues, aidera à démontrer la procédure.

Commencez par utiliser un logiciel de conception assistée par ordinateur pour créer des modèles de particules à imprimer. Pour créer une triède à l’aide d’AutoCAD, utilisez d’abord la commande cercle pour dessiner un cercle d’un diamètre de 0,3 millimètre. Ensuite, utilisez la commande extrude pour créer un cylindre de trois millimètres de long.

Les cylindres de cette taille sont les éléments constitutifs des particules. Utilisez maintenant la commande rotation et sélectionnez l’axe de rotation qui doit se trouver le long de l’axe X et l’angle de rotation qui doit être de 90 degrés. Ajustez la vue pour laisser de la place pour travailler avec d’autres cylindres.

Ensuite, faites une copie du cylindre qui sera le deuxième bras de la triade. À la fin de ce cylindre, appliquez la commande rotate 3D avec l’axe de rotation le long de l’axe Z. Faites pivoter le cylindre de 120 degrés pour la triade.

Déplacez le cylindre tourné en position pour former un bras de la triade. Les centres des extrémités du cylindre doivent coïncider. Faites et positionnez le troisième bras de la même manière.

Ensuite, faites pivoter l’objet de manière à ce qu’aucun cylindre ne pointe le long de l’accès vertical ou horizontal. Lorsque tous les bras sont en place, sélectionnez-les tous et utilisez la commande union pour les assembler en un seul objet. Enregistrez le fichier dans un format pour l’impression 3D.

Créez les autres particules à utiliser dans l’expérience en suivant des étapes similaires. En plus de la triade, il y a la croix composée de deux cylindres orthogonaux avec un centre commun, le vérin composé de trois cylindres mutuellement orthogonaux avec un centre commun, et la tétrade dans laquelle les cylindres partagent une extrémité commune et sont à des angles de 109,5 degrés l’un par rapport à l’autre. Faites imprimer environ 10 000 exemplaires de chaque type de particule en mode haute résolution.

Préparez-vous à stocker les particules imprimées dans une solution dans laquelle elles ont une flottabilité neutre. Pour cela, utilisez une solution de chlorure de calcium et environ 1 600 litres d’eau à la densité de flottabilité neutre. Retirez environ un litre de la solution pour stocker chaque type de particule.

Apportez le litre de solution sur le banc et commencez à travailler avec les particules. Les particules utilisées dans cette expérience ont été imprimées commercialement. Ils arrivent enfermés dans de la résine utilisée comme matériau de support.

Libérez les particules en cassant doucement les gros morceaux en petites sections. Travaillez avec chaque section pour le masser manuellement jusqu’à ce qu’une grande partie de l’excès de résine se détache. Cela facilitera les étapes ultérieures.

Pour nettoyer davantage les particules, préparez une solution à 10 % en masse d’hydroxyde de sodium dans un bécher. Ensuite, placez quelques particules et ce qui reste de leur résine dans le bécher pour enlever la résine. Déplacez le bécher avec la solution dans un bain à ultrasons.

Conservez les particules dans le bain à ultrasons pendant une heure au début, puis une demi-heure supplémentaire après le rinçage. Pour récupérer les particules, préparez un deuxième bécher pour recevoir la solution d’hydroxyde de sodium du bain et un filtre. Une fois les étapes de nettoyage par ultrasons terminées, utilisez des gants pour retirer le bécher du bain et versez le contenu à travers le filtre dans le deuxième bécher.

Rincez les particules avant de les déplacer dans la solution de densité adaptée où elles seront immergées pour éviter toute déformation. Ce sont des particules qui ont été libérées de leur résine, nettoyées dans le bain à ultrasons, et qui sont maintenant prêtes à être teintées pour devenir fluorescentes sous une lumière laser verte. Pour teindre les particules, utilisez une solution d’un litre de colorant Rhodamine-B dans de l’eau et placez-la sur une plaque chauffante.

Chauffez le colorant à 80 degrés Celsius pour le matériau de cette particule. Remplissez sans serrer un petit récipient avec les particules de stockage. Il s’agira d’environ 2 500 particules.

Ajoutez les particules à la solution de colorant et maintenez la température pendant qu’elles sont immergées. Après environ deux ou trois heures, retirez la solution et les particules du feu. Utilisez un grillage et un récipient séparé pour filtrer les particules de la solution.

Attention à ne pas les abîmer lorsqu’ils sont mous par la chaleur. Ensuite, rincez soigneusement les particules pour éliminer l’excès de colorant. Une fois terminé, stockez-les dans la solution de flottabilité neutre jusqu’à ce qu’ils soient nécessaires à l’expérience.

L’expérience se déroulera dans un réservoir avec des caméras placées pour enregistrer les particules au centre de l’écoulement. Ce schéma donne un aperçu de la configuration du réservoir, qui a une section transversale octogonale, des grilles oscillantes utilisées pour créer un écoulement turbulent, le volume de mesure et les positions des caméras. Utilisez un minimum de quatre caméras pour la précision de la mesure d’orientation.

Chaque appareil photo doit avoir une résolution d’au moins un mégapixel à 450 images par seconde et être connecté à un ordinateur dédié. Positionnez les caméras avec de grands angles entre deux d’entre elles et assurez-vous qu’elles sont toutes focalisées sur le volume de mesure souhaité. Pour minimiser la distorsion optique, des ports de visualisation sont intégrés dans le réservoir qui sont perpendiculaires à la direction de visualisation de la caméra.

Ensuite, placez un masque d’étalonnage d’image dans le volume de mesure du réservoir. Cela permettra d’analyser les données expérimentales collectées par les caméras. Pour simuler les conditions expérimentales, commencez à remplir la citerne avec la solution de flottabilité neutre en vrac.

Lorsque le réservoir est rempli, installez des lumières pour éclairer le masque. Ensuite, retournez au travail avec les caméras. Faites la mise au point de chaque appareil photo sur le même point du masque, puis acquérez et stockez des images pour l’étalonnage.

Après avoir vidé le réservoir, poursuivez la mise en place de l’expérience en plaçant un laser néodyme-yttrium-aluminium-grenat. Prévoyez qu’un séparateur de faisceau dirige une partie du faisceau laser vers un miroir. La lumière passe du miroir à travers des lentilles qui forment un faisceau cylindrique et dans le réservoir.

Sur le côté opposé du réservoir, placez un miroir pour réfléchir la lumière laser sortante le long de sa trajectoire. Utilisez l’autre sortie du séparateur de faisceau et une disposition similaire de miroirs et de lentilles pour créer un faisceau cylindrique perpendiculaire au premier, comme dans ce schéma de vue de dessus. Les miroirs d’où sortent les faisceaux aident à créer un éclairage plus uniforme.

Ensuite, inspectez le réservoir qui est rempli d’une solution de chlorure de calcium à flottabilité neutre dégazée. Avant de continuer, assurez-vous que les caméras et le logiciel d’acquisition de données sont prêts. Préparez-vous à ajouter au réservoir les quelque 10 000 tétrades qui ont été préparées pour cette expérience.

Déplacez-les en position près de l’orifice en haut du réservoir. Lorsque vous êtes prêt, ouvrez l’orifice et ajoutez les particules à l’eau dans le réservoir. Fermez le port une fois que toutes les particules ont été ajoutées.

Ensuite, passez au laser. Là, allumez-le et ouvrez l’ouverture du laser. Utilisez ensuite les commandes de la grille pour démarrer l’oscillation de la grille à trois hertz.

Dans le réservoir, laissez la grille osciller pendant environ une minute pour permettre aux turbulences de se développer pleinement. À ce stade, commencez l’acquisition de données et enregistrez environ un million d’images. À la fin de la course, arrêtez la collecte de données et fermez l’ouverture du laser.

Une fois que toutes les expériences ont été effectuées, dirigez-vous vers la sortie du réservoir. Là, placez un filtre pour éliminer les particules de la solution et videz le réservoir. Conservez les particules collectées dans la solution de flottabilité neutre pour une utilisation ultérieure.

Effectuez une analyse des données sur les images enregistrées à l’aide d’un logiciel pour trouver la position et l’orientation des particules. Les étapes suivantes sont implémentées dans le logiciel. À partir de quatre images synchrones d’une particule capturées par les quatre caméras, utilisez des informations bidimensionnelles pour déterminer sa position tridimensionnelle.

Projetez un modèle numérique tridimensionnel de la particule éclairée sur chaque caméra à l’aide des paramètres d’étalonnage de la caméra. Cela crée un modèle bidimensionnel de l’intensité lumineuse de la particule sur les quatre caméras. Ensuite, exécutez une routine d’ajustement des moindres carrés non linéaire pour trouver l’orientation du modèle qui correspond le mieux à ce qui est vu sur les quatre caméras.

Combinez les informations des quatre caméras pour minimiser la différence entre le modèle projeté sur chaque caméra et la particule observée. Ces étapes seront effectuées pour toutes les images qui ont des particules en vue de toutes les caméras. Il s’agit de l’évolution d’une tétrade en position et en orientation.

Remarquez le changement discontinu dans l’orientation des bras tétrades, ce qui est possible d’avoir sans garde-fous. Cette deuxième version de l’évolution de la tétrade montre que le logiciel s’assure que les angles du graisseur pour chaque cadre sont la plus petite rotation par rapport au cadre précédent. Les informations de position et d’orientation sont enregistrées pour une utilisation ultérieure.

Il s’agit d’une image de caméra d’une tétrade dans l’expérience. Dans la deuxième image, le modèle superposé indique l’orientation telle que trouvée par l’algorithme. Malgré la simplicité du modèle d’intensité bidimensionnel, la méthode produit des mesures précises de l’orientation des particules.

Dans l’expérience, l’algorithme de recherche d’orientation est utilisé pour obtenir l’évolution des angles du graisseur le long de la trajectoire complète de chaque particule. Il s’agit d’une reconstruction de la trajectoire complète d’une tétrade à travers le volume d’observation. Ceci est réalisé en combinant l’orientation et les coordonnées tridimensionnelles de la particule pour chaque image dans laquelle elle est visible par les quatre caméras.

La longueur de la piste est de 229 images. Notez que la particule n’est pas dessinée à l’échelle. Les données permettent également de déterminer la fonction de densité de probabilité de la vitesse de culbute mesurée.

Les carrés rouges sont des données pour les croix. Les cercles bleus sont des données pour les creux. La ligne continue représente le résultat d’une simulation numérique de sphères, ce qui correspond très bien aux données expérimentales.

Une fois maîtrisée, cette technique peut être réalisée en trois jours si elle est correctement exécutée. Lors de cette procédure, il est important de laisser les particules quelques heures dans les solutions de différentes densités. Il est également essentiel de s’assurer que les caméras sont correctement alignées, fixes et synchronisées pendant toute la durée de l’expérience.

Suite à cette procédure, d’autres méthodes telles que le suivi des particules de traçage peuvent être utilisées pour mesurer comment les particules imprimées en 3D réagissent au tenseur du gradient de vitesse maximale dans l’écoulement environnant. Après avoir regardé cette vidéo, vous devriez avoir une bonne compréhension de la façon d’utiliser des particules anisotropes pour extraire des informations sur le tenseur du gradient de vitesse à partir d’un écoulement turbulent à l’aide de quatre images vidéo stéréoscopiques. N’oubliez pas que travailler avec le colorant Rhodamine-B et l’hydroxyde de sodium peut être dangereux, et que des précautions telles que des gants et des lunettes de protection doivent toujours être prises lors de l’exécution de cette procédure.